[发明专利]一种无机纤维增强燃料电池质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种无机纤维增强燃料电池质子交换膜及其制备方法，属于燃料电池质子交换膜领域。一种无机纤维增强燃料电池质子交换膜的制备方法，具体为a、将无机材料熔融后加入磁性颗粒，将熔融后的浆体通过喷丝制备为负载有磁性颗粒的无机纤维；b、将步骤a中制备的负载有磁性颗粒的无机纤维与全氟磺酸单体、四氟乙烯、六氟丙烯及助剂加入有机溶液中，在40℃下进行超声搅拌，形成悬浊液，在外加磁场进行控制下将悬浊液在基底材料表层进行浇铸成膜，然后将膜材置于真空烘箱中烘干，获得所需的无机纤维增强燃料电池质子交换膜。本发明的一种无机纤维增强燃料电池质子交换膜的其制备方法工艺简单，强度高、成本较低、膜保水性能好、电导率高。

技术领域

本发明涉及一种无机纤维增强燃料电池质子交换膜及其制备方法，属于燃料电池质子交换膜领域。

背景技术

燃料电池自1966年开始使用杜邦公司的nafion全氟磺酸质子交换膜以来，各项技术逐渐趋于成熟。Nafion膜的化学稳定性非常好，为长寿命、高功率密度的燃料电池提供了有力的支撑，但仍然存在很多缺点，其一是价格昂贵，原料的磺化与氟化工艺非常复杂，导致其产品价格居高不下，在电池行业的竞争中缺乏竞争力；其二是膜材的使用环境相对苛刻，需要在100℃以下和适宜的湿度范围进行工作，一旦温度过高和水分含量过大，会导致膜材的质子电导率明显降低并发生降解；其三是对于非氢燃料具有较高的渗透率，限制了膜材的适用范围。

目前对于膜材的电导率控制主要依赖于水分含量，对于膜材中水分含量的控制普遍方法是对膜材进行无机亲水性粒子掺杂，如SiO2、TiO2、ZrO2等，但大多通过一维颗粒形态进行掺杂，对膜材的机械性能具有一定的影响，导致膜材在制备和使用过程中开裂。因此在提高膜材保水性能的同时保持和提高其机械物理性能在生产中具有较高的应用价值。

申请号为201210189858.8的中国专利公开了一种高温燃料电池用复合质子交换膜及其制备方法。该交换膜是基于UV激光刻蚀聚酰亚胺基体的复合质子交换膜，由带有均匀、有序直通孔结构的聚酰亚胺基体薄膜，浸渍制备全氟磺酸树脂膜构成。制备方法是运用UV激光刻蚀技术在聚酰亚胺薄膜表面制备均匀、有序的直通孔结构，经过酸碱亲水处理提高其亲水性能，再向处理后的聚酰亚胺基体薄膜中填充全氟磺酸树脂溶液，然后热处理得到UV激光刻蚀聚酰亚胺基体的复合质子交换膜。所制备的复合质子交换膜具有高温保水性能、机械强度高、气体渗透率低、溶胀应力低等特点，特别适用于质子交换膜燃料电池。

申请号为200710032311.6的中国专利公开了一种直接甲醇燃料电池用质子交换膜的制备方法。该方法首先将聚醚醚酮加入浓硫酸中进行磺化反应得到磺化聚醚醚酮；然后将磺化聚醚醚酮溶于有机溶剂中，加入N，N′－羰基二咪唑搅拌1～3小时后加入偶联剂搅拌反应1.5～4小时，再加入无机交联剂在50～80℃下反应，然后加入质子导体继续在此温度下反应得到磺化聚醚醚酮/无机交联剂/质子导体的混合溶液；最后将磺化聚醚醚酮/无机交联剂/质子导体的混合物溶液成膜，干燥，脱膜即得到所述的直接甲醇燃料电池用质子交换膜。该膜的阻醇性能好、成本低、质子传导率高、较高温度下抗水的溶胀性能好。该制备方法相对较简单，原材料价格低廉，生产成本相对较低。

申请号为201710800567.0的中国专利公开了一种质子交换膜燃料电池的制备方法，特别涉及一种硅基一体化质子交换膜燃料电池的制备方法。采用二氧化硅微/纳米球等作为模板，双气流同时通入刻蚀气体SF₆与辅助气体O₂等，通过电感耦合等离子刻蚀机进行深硅刻蚀，得到三维硅微/纳米柱阵列。通过结构优化，如引入导电层和划片处理等，即可作为质子交换膜燃料电池的流场。基于上述硅基流场，进一步集成气体扩散层和催化层，实现了一体化硅基质子交换膜燃料电池的构建。该燃料电池制备方法简单，和现有的硅基半导体工艺相兼容，并且功率密度较高，在微/纳机电系统的电源供应等领域有潜在的应用。

上述专利均是对质子交换膜的改性，没有同时解决解决质子交换膜保水性能和机械物理性能的问题。

发明内容