[发明专利]一种多功能复合质子交换膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多功能复合质子交换膜及其制备方法，属于质子交换膜技术领域。该交换膜包括依次连接的第二外层、中间层和第一外层，其特征在于，第一外层是由多孔聚合物膜和复合多功能剂与第二固体聚电解质填充复合而成的具有抗氧化、抗污染和抗渗透功能的多孔聚合物增强复合质子交换膜。本发明制备的交换膜具有高剥离强度、较好的抗污染性、较长的使用寿命、优异的抗正负极氢气与氢氧根相互渗透性能。

技术领域

本发明涉及一种多功能复合质子交换膜及其制备方法，属于质子交换膜技术领域。

背景技术

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，起到分隔燃料和氧化剂，并防止它们直接发生反应作用，对电池性能起着关键作用，它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。目前燃料电池中的质子交换膜的传导需要水。因此，燃料电池工作通常需要对膜增湿。此外，还要求质子交换膜起到抑制阳极反应气体和阴极反应产物相互渗透的作用。目前提高质子交换膜保水性能的方法之一是在质子交换膜中掺杂SiO₂、TiO₂、ZrO₂、等无机粒子，制得复合膜在100-130℃下具有较好的保水功能。

中国专利CN100336257C公开了一种质子交换膜燃料电池用复合质子交换膜，该复合质子交换膜是三层多孔聚合物增强复合质子交换膜复合而成的复层质子交换膜，外部两层是多孔聚合物膜和无机纳米粒子与固体聚合物电解质填充体复合而成的具有保水性能的多孔聚合物增强复合质子交换膜，中间层是多孔聚合物膜和无机纳米粒子、纳米Pt金属粒子与固体聚合物电解质填充体复合而成的具有自增湿及阻气功能的多孔聚合物增强复合质子交换膜。多孔聚合物膜填充后，复合膜中仍残留有5～10％的孔隙，这将会增加阴阳两极间反应氧气与氢气发生窜气的几率，从而降低燃料电池的转换效率及使用寿命。此外，在反应过程中，阴极会大量产生OH^-，OH^-向正极渗透会引起离子膜电流降低，从而使膜电流效率降低。燃料电池在长期运行过程中,由于极板腐蚀,共用管道或增湿装置被腐蚀,在燃料电池的阴、阳极两侧都会有金属离子(Ca²⁺、Na⁺)等产生,溶液中的金属离子逐渐扩散到质子交换膜中,并取代磺酸根基团上的质子形成磺酸盐结构,产生了“质子交换膜的阳离子效应”,体现在阳离子取代磺酸根上的质子后降低了膜传导质子的能力,电池性能衰减。产生的金属离子也会对催化剂层和扩散层造成一定污染。同时，由于在燃料电池的使用过程中，质子交换膜会产生严重的应力分布，因此对复合膜的接触界面结合强度要求较高。

因此，开发高剥离强度、抗污染、长寿命、抗反应气体和反应产物相互渗透的复合质子交换膜，是目前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高剥离强度、抗污染、长寿命、抗反应气体和反应产物相互渗透的多功能复合质子交换膜及制备方法，该复合质子交换膜具有高剥离强度、较好的抗污染性、较长的使用寿命、优异的抗正负极氢气与氢氧根相互渗透性能。

解决本发明目的的技术解决方案是：

本发明的多功能复合质子交换膜，是三层多孔聚合物增强复合质子交换膜复合而成的复层质子交换膜，中间层是由多孔聚合物膜和无机纳米粒子、纳米Pt金属粒子与第一固体聚电解质填充复合而成的具有自增湿及阻气功能的多孔聚合物增强复合质子交换膜，第二外层是由多孔聚合物膜和无机纳米粒子与第一固体聚电解质填充复合而成的具有保水性能的多孔聚合物增强复合质子交换膜，第一外层是由多孔聚合物膜和复合多功能剂与第二固体聚电解质填充复合而成的具有抗氧化、抗污染和抗渗透功能的多孔聚合物增强复合质子交换膜，其中，复合多功能剂由质量比为(1～5):30的槲皮素和辣椒素构成。

较佳的，复合多功能剂与全氟羧酸树脂溶液的质量比为0.001～1∶100。

较佳的，多孔聚合物膜是聚四氟乙烯微孔膜、聚偏氟乙烯微孔膜、聚酰亚胺微孔膜、聚醚醚酮微孔膜、聚醚砜微孔膜、聚砜微孔膜、聚丙烯微孔膜、聚乙烯微孔膜中的一种或多种组合。