一种利用微波辅助溶胶-凝胶法制备复合质子交换膜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于质子交换膜燃料电池电解质复合膜领域，具体设及一种利用微波辅助 溶胶-凝胶法制备复合质子交换膜的方法。
【背景技术】
[0002] 质子交换膜燃料电池（PEMFC)具有能量转化效率高、环境友好、室温快速启动、无 电解液流失等优点，有望替代目前常用的能量转化装置，成为分散电站、车用动力电源W及 可移动电源的理想候选电源。其中，质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键材料之一，它 在燃料电池中既可为电解质提供氨离子通道，也可作为隔膜隔离两极反应气体。
[0003] 从操作温度上来区分，阳MFC大致可W分为两类，一类是低温阳MFC,其操作温度 低于80°C，W杜邦公司的化fion系列全氣横酸膜作为代表，低温体系具有可低温快速启动 等众多优点，然而，该类电池的商业化面临着严峻的挑战；（1)低温操作时催化剂活性不够 理想；（2)燃料气中的不纯气体尤其是C0容易吸附在电极表面，造成催化剂中毒；（3)电池 内部大部分水W液态形式存在，容易造成电极水淹，严重影响电池性能；(4)操作温度与环 境温度间相对较小的温差造成电池的热管理系统复杂，降低了整体发电效率等。质子W水 合质子&0+的形式在电场的作用下，经质子交换膜由阳极催化层向阴极催化层迁移，同时 伴随3-5个水分子的迁移。随着温度的升高，PEMFC的性能也会升高，但当电池运行温度超 过80°C后，质子交换膜容易失水，导致质子交换膜的破裂和质子传导能力的下降，从而严重 影响电池的正常工作。因此，研究者提出开发高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC，操作温 度〉100°C)来缓解或解决上述问题，其中能够在100°CW上使用的高温电解质成为PEMFC 的研究热点之一。
[0004] 采用了高温质子交换膜的HT-PEMFC有效地克服了传统PEMFC存在的一系列问题， 包括；1)电池内水W气相存在简化了水热管理；2)对增湿要求降低；3)电化学反应速度 提高，有效降低了阴极电化学极化过电位；4) 一定程度上简化了燃料电池冷却系统。高温 质子交换膜的研发对于高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC)的工业化具有非常重要的意 义。正因为如此，高温质子交换膜成为当前研发的热点，有机-无机复合膜作为高温质子交 换膜的一类受到相当重视，在文献和专利中都有广泛的报道。
[0005] 目前，高温质子交换膜普遍存在如下缺点：平衡水吸附量低，电渗拖曳系数低，膜 的稳定性不高，寿命短，高温质子传导性不佳。CN1545156A公开了一种高温质子交换膜燃料 电池用质子交换膜复合膜的制备方法，制备得到的质子交换复合膜可W在80-140°C下有效 工作，但是由于聚合物前驱体分子较大，不容易进入质子交换膜中，导致在膜上的分散效果 不理想，反应耗时，生产成本高。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有的高温质子交换膜存在的平衡水吸附量低，电渗拖曳 系数低，高温质子传导性不佳的缺点，提供复合质子交换膜的制备方法，使得制备得到的复 合质子交换膜的平衡水吸附量高，电渗拖曳系数高，高温质子传导性优良。
[0007]为此，本发明提供了一种利用微波辅助溶胶-凝胶法制备复合质子交换膜的方 法，所述方法包括如下步骤：
[000引 （1)将质子交换膜进行预处理；
[0009] (2)将预处理后的质子交换膜进行溶胀；
[0010] (3)将溶胀后的质子交换膜在微波炉中进行溶胶-凝胶反应；
[0011] (4)用滤纸吸去步骤（3)后的质子交换膜表面残余液体；
[0012] (5)将步骤（4)得到的质子交换膜进行二次真空干燥，得到复合质子交换膜。
[0013] 根据本发明，所述步骤（1)包括将质子交换膜在质量分数为1-5%的&〇2溶液 中煮沸10-30min，用去离子水洗漆；然后在浓度为0. 2-l.Omol/l的H2SO4溶液中煮沸 60-120min，用去离子水洗漆，然后在去离子水中煮沸10-50min。&化溶液可W去掉质子交 换膜表面的有机杂质，H2SO4溶液可W去掉质子交换膜表面的金属离子杂质，用去离子水煮 沸对质子交换膜进行洗漆，W进一步除去杂质。去掉质子交换膜表面的杂质可W延长复合 质子交换膜的寿命，并有助于提高复合质子交换膜的性能。
[0014] 根据本发明，所述步骤（2)包括将质子交换膜在甲醇与水的混合液体中浸泡 120-240min进行溶胀，水的体积浓度为5-45 %。体积浓度为5-45 %的水可W使质子交换膜 的溶胀形态达到最佳，从而有助于提高复合质子交换膜的平衡水吸附量，电渗拖曳系数和 高温质子传导性能；并有利于步骤（3)中溶胶-凝胶反应的进行，可W使Si化纳米粒子在 复合质子交换膜中分散均匀。
[0015] 根据本发明，所述步骤（3)包括将溶胀后的质子交换膜取出，用滤纸吸去表面残 余液体，然后转入体积比为2 ;1-3 ;4正娃酸己醋与甲醇的混合溶液中，将此体系置于微波 炉中进行溶胶-凝胶反应，微波反应温度为20-80°C，反应时间为l-30min，反应结束后冷却 至室温。
[0016] 根据本发明，所述步骤（3)中微波功率为100-400W，微波频率为1500-2500MHZ。在 微波炉中进行溶胶-凝胶反应具有加热速度快、节能高效、易于控制等优点。利用微波辅助 溶胶-凝胶反应制备的复合质子交换膜中Si化纳米粒子分散均匀，有助于提高复合质子交 换膜在高温下的吸水性和保水性，进而有助于提高复合质子交换膜的平衡水吸附量、电渗 拖曳系数和高温质子传导性等。
[0017] 根据本发明，所述步骤（4)包括将步骤（3)得到的质子交换膜取出，用滤纸吸去表 面残余液体。
[001引根据本发明，所述步骤（5)包括将步骤（4)得到的质子交换膜在80°C真空条件下 干燥2化后，再升高温度至120°C干燥比，得到复合质子交换膜。采用二次真空干燥可W确 保能够去除质子交换膜上残留的挥发性物质，如甲醇、己醇等，进而可W在复合质子交换膜 内形成稳定的Si化网格结构，有利于提高复合质子交换膜的吸水性和保水性，进而有助于 提高复合质子交换膜的平衡水吸附量、电渗拖曳系数和高温质子传导性等。
[0019]本发明制备复合质子交换膜的各个步骤之间协同发挥作用，才能实现本发明目 的，才能使制备得到的