[发明专利]一种高热稳定性质子交换膜及制备方法

说明书

本发明涉及质子交换膜技术领域，具体公开了一种高热稳定性质子交换膜及制备方法，通过将二氧化硅气凝胶包覆在Nafion树脂粉，然后与三聚磷酸铝一同镶嵌在聚偏氟乙烯多孔膜的孔洞得到一种高热稳定性质子交换膜。由于以聚偏氟乙烯多孔膜为载体，其良好的耐热性有效防止高温热变形；将二氧化硅气凝胶包覆在Nafion树脂粉，在微环境中Nafion树脂粉存在吸水溶胀，表现为优异的质子传导性，在宏观环境中，由于二氧化硅气凝胶包覆，使得Nafion树脂粉热稳定；通过使用三聚磷酸铝，其形成耐腐蚀微膜，有效提升质子交换膜的寿命。

技术领域

本发明涉及一种高热稳定性质子交换膜及制备方法，属于质子交换膜技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种燃料电池，采用高分子膜作为固态电解质，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（PEM）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。

质子交换膜作为燃料电池的核心部件,要求具有高的化学稳定性、耐电化学氧化性,以克服长期在氧化性环境中工作的稳定性；要求耐温性和保湿性好，以便获得较好的导电特性；要求阻止气体渗透，起着分隔氢气和氧气的作用，为了避免氧化剂和还原剂接触发生反应而降低电池效率。

目前,常用的质子交换膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸膜机械强度高，化学稳定性好和在湿度大的条件下导电率高，低温时电流密度大，质子传导电阻小。如: 温度升高会引起电导率降低, 高温时膜易发生化学降解；另外，质子交换膜合成制备工艺复杂，成本高,阻碍了燃料电池的产业化发展。目前大都集中在对全氟磺酸膜的改性。

公开号为CN 101359743的中国专利公开了一种对无机/有机复合质子燃料电池交换膜及制备方法的改进，其特征是无机/有机复合由全氟磺酸聚合物或非氟磺酸聚合物嵌入三维网孔结构的SiO₂和或TiO₂中复合而成。无机颗粒在膜中相互成网状结构，不仅增强了所得复合膜的机械强度，而且可以获得保湿性好复合膜，从而有效解决了质子交换膜在中高温下与高电导率之间的矛盾，所得复合膜不仅具有高温高电导率，及较低的吸水膨胀率等特性，而且复合膜的机械耐压强度和热稳定性均得到相应提高，提高了使用寿命。通过与无机复合改性提升了全氟磺酸质子交换膜的性能，但难以根本解决问题。

技术人员期望通过更多的无机载体克服现有使用全氟磺酸质子交换膜热稳定性的问题。如申请号为201010134580.5的中国专利公开了一种添加质子导电玻璃的复合质子导电膜及其制备方法。该发明采用水热处理工艺,处理溶胶-凝胶法制备的凝胶,通过加速水解,去除有机成分,在多孔无机玻璃表面形成丰富的羟基(OH)功能团,促进质子传导。同时,水热处理工艺能够强化凝胶体结构,提高其机械强度,防止玻璃体开裂。另外,通过加入磷酸引入磷元素,与MOH键相比(M为金属),磷酸(PO(OH)3)中质子的离子性更强且每个磷原子附有3个OH,能够作为质子源提供更多质子,从而获得高质子传导率的玻璃体材料。该发明显著提高了复合质子导电膜的性能,但是仍然需水作为传导介质，当在150℃以上温度较高温度工作时，水不稳定，还是会造成质子传导下降。

质子电导率严重依赖膜内水含量燃料电池在在实际中，高温工作难以利用水湿润，质子缺少吸附水，难以进行质子传导成为阻碍其性能的关键。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种高热稳定性质子交换膜及制备方法。

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高热稳定性质子交换膜的制备方法,包括如下步骤：

（1）将Nafion树脂进行冷冻研磨，得到粒径在微米级别的Nafion树脂粉；