[发明专利]一种自增湿质子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种自增湿质子交换膜及其制备方法和应用，所述自增湿质子交换膜包括第一全氟磺酸树脂层和第二全氟磺酸树脂层，以及位于第一全氟磺酸树脂层和第二全氟磺酸树脂层之间的中间层，所述中间层中含有全氟磺酸树脂、铂基催化剂和保湿剂；所述铂基催化剂包括活性中心和载体，所述活性中心包括铂，所述载体包括纳米金属氧化物。本发明提供的自增湿质子交换膜不导电，催化剂及载体不易团聚，自增湿效果好，电化学性能好，适用于氢染料电池。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种自增湿质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

氢燃料电池汽车具有零排放、续驶里程长、燃料加注快的典型特点，是未来汽车行业发展的重要趋势之一。同时，发展氢燃料电池汽车，对改善能源结构，发展低碳交通，具有非常显著的意义。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是目前应用比较广泛的氢燃料电池类型之一。

目前使用的质子交换膜燃料电池在实际使用过程中，传导质子的需要一定的水分，通过与水结合成水合离子，完成质子传递以及整个化学反应。在缺水的情况下，质子传导率会急剧下降，进而导致膜电极及电池的性能下降。为解决质子交换膜的水含量问题，通常是在系统中加一个加湿系统，一般通过对进气空气加湿从而引入水分。然而，加湿系统不仅使燃料电池系统变得复杂，外形尺寸变大，也会增加成本。因此亟需开发具有免加湿或自加湿的燃料电池，从而降低燃料电池成本，提升燃料电池比功率。

自增湿燃料电池，可通过采用具有自增湿功能的膜电极以及采用独特设计的双极板结构从而实现自增湿。膜电极是PEMFC的核心组件，一般由质子交换膜、阴阳极催化剂以及阴阳极气体扩散层组成。因此，自增湿膜电极又可分别自增湿质子交换膜、自增湿气体扩散层以及自增湿催化层。近期开发具有自增湿功能的膜得到了广泛的关注。

现有的自增湿质子交换膜，主要分为如下几种：一种是利用PTFE的微孔结构来实现自增湿的。另一种是向膜中引入催化剂铂，实现在膜的界面上对窜入的氧气和空气进行催化，催化生成的水在不同的操作条件，存储和释放，从而最大限度保证膜的质子传导能力，进而提升电池工作性能。

铂的引入需要载体，如碳黑或者二氧化硅等。常规载体均匀分散较难，且分散后在使用中易发生团聚。团聚有可能形成电子的通路，这是相当危险的。

CN101170183A公开了一种基于碳纳米管增强的燃料电池用自增湿复合质子交换膜及其制备方法。包括以下步骤：利用溶液浇铸法制备得到碳纳米管增强全氟磺酸树脂膜，然后向膜内引入Pt作为自增湿催化剂。其中Pt可以是直接担载在碳纳米管上或者担载在纳米SiO₂颗粒上，制得的膜厚度为10～100μm。该发明中使用碳纳米管或SiO₂颗粒作为铂催化剂的载体，存在易团聚的问题，具有短路的风险。

CN108598534A公开了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全氟磺酸树脂溶液中分散，然后浸入聚四氟乙烯微孔膜，干燥，得到以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。该发明质子交换膜，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。但是铂催化剂的载体石墨烯及其容易发生团聚，导致道路。