[发明专利]一种燃料电池用自增湿控水质子交换膜及制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池用自增湿控水质子交换膜及制备方法，将中空纤维浸入热熔的聚乙二醇相变材料，吸附聚乙二醇后进行纺织，得到纺织层；将明胶分散于二氧化硅气凝胶分散均匀，使明胶均匀吸附在二氧化硅气凝胶的微孔内，冷凝分散得到负载明胶微粒；将金属铂与石墨烯研磨负载得到金属铂负载微粒；将金属铂负载微粒加入到Nafion溶液中分散，然后浸入聚四氟乙烯微孔膜，干燥，得到一聚四氟乙烯微孔膜为网络骨架的全氟磺酸聚合物复合膜，然后在膜的靠阳极面喷涂明胶微粒，并贴附纺织层。本发明质子交换膜，膜中聚乙二醇、二氧化硅气凝胶等组分微调节膜内的水平衡的目的，具有良好的自增湿控水特性，从而实现良好的自增湿性和增湿管理。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池用自增湿控水质子交换膜及制备方法。

背景技术

燃料电池电动汽车研发在国际范围内蓬勃兴起。质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cell, PEMFC) 具有能量转化率高、功率密度高、启动快和无污染等优点，成为燃料电池电动汽车的首选技术。目前，影响燃料电池汽车商业化的主要技术难点来自于燃料电池的寿命与成本。车用燃料电池耐久性欠佳，主原因是车载工况对燃料电池的影响。

质子交换膜是质子交换燃料电池的核心组件，它在燃料电池中起到两个重要作用，一是作为电解质提供氢离子通道，二是作为隔膜隔离两极反应气体。质子交换膜性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能、成本和应用前景，是燃料电池的技术关键。

燃料电池在运行时阴极生成的水会向阳极扩散，而阳极水分子会随质子向阴极迁移，但是膜两侧的净水传递却是由阳极流向阴极，结果导致阳极侧的电解质膜水化不充分，而阴极较水分过多。燃料电池的电化学反应发生在水/气/质子界面，过量的水会稀释气体反应浓度，影响反应效率，影响质子交换膜质子传导能力，因此，需要维持阳极充分水化，防止阴极水分过多。再者，目前燃料电池使用的质子交换膜几乎全都是美国Du Pont公司生产的Nafion全氟磺酸膜， Nafion全氟磺酸膜在较大水含量时具有较高的质子导电率，这类膜的离子电导强烈地依赖于水含量，在水含量较低或温度较高，特别是温度高于100℃时，电导率明显下降也会使膜发生化学降解。因此，质子交换膜的稳定化工作控制以及常压充分的水化是稳定运行燃料电池，提升质子交换膜燃料电池性能和寿命的关键。而进行膜、电极及流场的结构改进，实现水的合理分配及有效管理是稳定运行燃料电池的先决条件。

本领域技术人员提出了通过在电解质膜内化合成水的自增湿技术思路。如中国发明专利申请号200410061104.X提供了一种具有自增湿功能的多层纳米复合质子交换膜的制备方法，在聚四氟乙烯(PTFE)多孔膜中先浸渍质子传导树脂与 SiO₂或 TiO₂纳米粒子的混合物形成保水质子传导层，再浸渍质子传导树脂与纳米Pt或纳米Pd颗粒的混合物形成自增湿质子传导层。中国发明专利申请号200510018740.9公开了具有保水功能的质子交换膜燃料电池芯片的制备方法，在转移介质表面涂敷催化剂层，在催化剂层表面涂敷具有保水功能的无机纳米粒子层，将质子交换膜置于两张涂敷有无机纳米粒子的转移介质中间，热压并揭去转移介质，即制得燃料电池芯片，然而无机纳米粒子的引入会增加电池电阻，影响催化剂与质子交换膜接触。上述方案中尽管通过分散纳米催化剂和/或无机纳米粒子提高质子交换膜保水性，然而却无法调节膜内的水平衡，控水管理并不理想。

中国发明专利申请号201210557812.7公开了一种用于质子交换膜燃料电池的自增湿膜电极及制备方法。通过将碳载铂催化剂或铂钌催化剂、全氟磺酸树脂溶液、具有亲水性的有机高分子聚合物和无机氧化物在水或者低沸点溶剂中混合并超声形成催化剂浆料，将催化剂浆料喷涂在质子交换膜的一侧，制得阳极催化层，在该质子交换膜的另一侧喷涂不含亲水性的有机高分子聚合物和无机氧化物的浆料，得到阴极催化层。然而由于膜两侧亲水性不同，膜遇溶剂发生溶胀变形，降低电池性能。因此，提出一种能够有效进行自增湿同时能够进行增湿管理的质子交换膜对燃料电池质子传导性能的提高具有重要意义。

发明内容