[发明专利]一种改性环氧硅烷燃料电池质子交换膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种改性环氧硅烷燃料电池质子交换膜的制备方法，其特征在于，将磺酸基团接枝在分子主链上，使环氧硅烷具有质子吸收和迁移能力，有机磷酸和三乙醇胺共同作用使环氧硅烷开环固化，氟离子取代Si‑H键中的H；将得到的物料涂敷于聚甲基丙烯酸甲酯微孔膜上，再敷一层聚甲基丙烯酸甲酯微孔膜，压制定型，从而将改性环氧硅烷物料封装在聚甲基丙烯酸甲酯微孔膜间，得到改性环氧硅烷质子交换膜。解决了传统氟磺酸膜磺化困难、机械强度差，高温老化严重的问题。

技术领域

本发明涉及导燃料电池领域，具体涉及燃料电池质子交换膜，特别是涉及一种改性环氧硅烷燃料电池质子交换膜的制备方法。

背景技术

质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。质子交换膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力源.用作PEM的材料应该满足以下条件：良好的质子电导率、水分子在膜中的电渗透作用小、气体在膜中的渗透性尽可能小、电化学稳定性好、干湿转换性能好、具有一定的机械强度、可加工性好、价格适当。质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。

迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦公司的Nafion膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，目前PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜，国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。但Nafion膜仍存在下述缺点:(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70-90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。

因此，为了提高质子交换膜的性能，对质子交换膜的改进研究正不断进行着。从近两年的文献报道看，改进方法可采用以下几种方法:

(1)有机/无机纳米复合质子交换膜，依靠纳米颗粒尺寸小和比表面积大的特点提高复合膜的保水能力，从而达到扩大质子交换膜燃料电池工作温度范围的目的；

(2)对质子交换膜的骨架材料进行改进；

(3)对膜的内部结构进行调整，特别是增加其中微孔，以使成膜方便，并解决催化剂中毒的问题。

另外，除了这3种改进，现有的许多研究都或多或少的采用了纳米技术，使材料更小，性能更佳。

质子交换膜燃料电池(PEFMC)由于其优良的理论性能受到研究者的密切关注，传统的全氟磺酸膜制备过程中磺化困难，高温下老化和需要充分润湿，导致其使用条件苛刻，需要精细控制。因此针对传统质子交换膜材料的选择和改进具有十分重要的实际意义。

发明内容

针对以上缺陷，本发明的目的是提供一种改性环氧硅烷燃料电池质子交换膜的制备方法，将磺酸基团接枝在分子主链上，使环氧硅烷具有质子吸收和迁移能力，有机磷酸和三乙醇胺共同作用使环氧硅烷开环固化，氟离子取代Si-H键中的H。制备方法：使用氨基乙磺酸对环氧硅烷进行改性，之后加入有机磷酸、氟盐和三乙醇胺进行固化和氟化处理，并将其封装在聚甲基丙烯酸甲酯微孔膜间，压制定型得到改性环氧硅烷质子交换膜。解决了传统氟磺酸膜磺化困难、机械强度差，高温老化严重的问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种改性环氧硅烷燃料电池质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：