一种用于燃料电池的质子交换膜及其制备方法

文档序号:9599499阅读:476来源:国知局
一种用于燃料电池的质子交换膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于燃料电池技术领域,特别是一种用于燃料电池的质子交换膜及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 随着当今社会的不断发展,人类逐渐意识到利用传统化石能源不可避免地会造成 大量的废水、废气、废渣和废热等污染。因此,近年来人们一直在寻找高效、清洁环保的新能 源。燃料电池是一种重要的能量转化技术,被认为是与能源、环境相关的最有发展前途的能 量转换装置之一,具有可连续工作、结构简单、操作安静等显著特点。质子交换膜燃料电池 (PEMFC)与其它类型燃料电池相比,具有启动快、寿命长、比能量高和结构紧凑等优点,因此 是电动汽车和其它动力源设备最理想的候选电源,具有广阔的应用前景。
[0003]质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部分,其性能的好坏直接影响燃料电池 的整体性能。质子交换膜不仅用于传导质子和阻隔燃料、氧化剂,还是催化剂的支撑体,为 保证燃料电池正常运行,质子交换膜应具备优异的化学稳定性、热稳定性和良好的质子传 导性,同时,膜表面与催化剂表面应接触良好,能有效阻止气体扩散,阻隔氧化剂和燃料接 触等。目前由美国杜邦公司生产的Nafion系列膜被广泛应用于低温质子交换膜燃料电池 中,这是因为传统Nafion膜在低温高湿度条件下表现出良好的导电性、机械强度、热稳定 性和化学稳定性等。但随着温度的升高或湿度的降低,传统Nafion膜内水含量迅速降低, 导致电导率下降,Nafion膜收缩,进而导致了膜与两侧催化层接触面积减小等缺点的出现, 影响了质子交换膜燃料电池的性能,抑制了高温、低湿度条件下质子交换膜燃料电池的发 展。为了克服传统Nafion膜在高温、低湿度时表现出的性能缺点,近年来对传统Nafion 系列膜的改进方法越来越多,如:引入亲水性的无机纳米粒子,如:Si02,Ti02,Zr02,蒙脱土 等;也有通过改变无机填料结构来提高膜的性能,如:引入介孔Si02,MCM41,SBA15等;这些 方法都在一定程度上提高了Nafion膜在高温、低湿度环境下的性能,提高纳米无机填料含 量可以提高膜的保水能力,然而,无机材料固有的质子电导率都很低,因此引入无机填料后 膜的质子电导率并没有明显提高,反而可能会降低。另外,无机相和有机相之间的相分离、 及膨胀系数不同等问题会导致膜内局部存在应力,导致膜的机械性能变差,进而导致膜的 稳定性变差。
[0004] 介孔结构材料是一种孔径介于2-50nm的新型材料,有许多其它材料所不具有的 优异特性,如:高度有序的孔道结构,独特的毛细管作用,在高温、低湿度下有很强的保水能 力。杂多酸是一种固体酸,由于具有独特的Keggin结构,所以具有许多独特的优点。杂多 酸在水中有很强的结构稳定性和较高的溶解度,使其在有水的条件下具有很好的质子传导 能力。而且,一个杂多酸分子可以包含很多个水分子、具有很强的保水能力,所以引入杂多 酸到质子交换膜中对保水能力的提高会有很大的帮助。但在以往的实验中发现:由杂多酸 直接共混掺杂而形成的复合膜各项性能指标并不理想,保水能力、高温质子电导率和稳定 性没有明显提高,尤其是酸的流失问题非常严重。

【发明内容】

[0005] 本发明提供一种用于燃料电池的质子交换膜及其制备方法,旨在满足质子交换膜 燃料电池在高温、低湿度环境下的使用要求。
[0006] -种用于燃料电池的质子交换膜,其特征是该膜具有三明治结构,三明治结构由 两个保护层和一个中间层构成,其中中间层是杂多酸注入的具有有序介孔结构的膜,由介 孔通道和杂多酸构成。
[0007] 所述的杂多酸为磷钨酸或磷钼酸或硅钨酸。
[0008] -种用于燃料电池的质子交换膜的制备方法,其特征是该方法包括以下步骤:
[0009] a.首先将表面活性剂在室温下溶于异丙醇与水的混合溶剂中,异丙醇与水的质量 比为9:1,所述的表面活性剂包括:三嵌段共聚物F108和F127,表面活性剂的质量百分比浓 度控制在1-20% ;
[0010] b.称取质量百分比浓度5-10%的全氟磺酸树脂溶液加入到二甲基甲酰胺溶液 中,二甲基甲酰胺简称DMF,在100°C_150°C下加热,去除水和低沸点溶剂,得到全氟磺酸树 脂/DMF溶液,全氟磺酸树脂在DMF中的质量浓度控制在5-10% ;
[0011] c.将步骤b制备的全氟磺酸树脂/DMF溶液缓慢加入步骤a制备的表面活性剂溶 液中,用2M氏504溶液将上述混合溶液的pH值调至1-2,匀速搅拌,在35°C-45°C下保温 5-10h,然后缓慢倒入光滑、洁净的PTFE模具中;
[0012] d.将PTFE模具放入真空干燥箱中,调节模具水平放置,在50°C-55°C下保温 4_6h,缓慢升温至80°C-90°C,保温l_2h,最后在120°C_130°C下,保温l_2h,在PTFE模具 中形成膜;
[0013] e.将步骤d所得到的膜浸泡到5-10 %的H202溶液中,加热至80°C_90°C,除去膜 中的表面活性剂,得到具有有序介孔结构的全氟磺酸树脂膜;
[0014] f.将步骤e制得的具有介孔结构的全氟磺酸树脂膜浸泡在饱和杂多酸溶液中,加 热到80°C-90°C后保温4-6h,然后将膜取出,再在120°C_130°C下保温l_2h,然后将膜取 出,用去离子水冲洗膜表面,除去膜表面所附着的杂多酸;
[0015] g.用2MH2S04溶液将5-10 %全氟磺酸树脂/DMF溶液pH调节至1-2,然后在 80°C_100°C下喷涂到步骤f所制备的膜的表面;
[0016] h.将步骤g所制得的膜在120°C_130°C下保温l_2h,再在160°C_170°C下保温 l-2h,最后得到具有三明治结构高保水能力的质子交换膜。
【附图说明】
[0017] 图1为一种用于燃料电池的质子交换膜结构示意图。
[0018] 图中编号:1、杂多酸注入的具有有序介孔结构的膜;2、外层膜;3、介孔通道;4、杂 多酸。
[0019] 图2为一种用于燃料电池的质子交换膜在80°C、不同相对湿度下的电池性能电池 极化曲线。
[0020] 图3为一种用于燃料电池的质子交换膜在120°C、20 %相对湿度下的电池性能极 化曲线。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图用实施例更详细描述本发明。
[0022] 实施例1
[0023] -种用于燃料电池的质子交换膜,该膜具有三明治结构,三明治结构由两个保护 层和一个中间层构成,其中中间层是杂多酸注入的具有有序介孔结构的膜,由介孔通道和 杂多酸构成;该膜在80°C、100%相对湿度下,质子电导率为0. 120S/cm;在80°C、40%相对 湿度下,质子电导率为〇. 〇82S/cm;膜厚度为50μπι。
[0024] -种用于燃料电池的质子交换膜的制备方法,该方法按以下步骤操作:
[0025] 称取0.5gF108表面活性剂,溶于10g异丙醇与水的混合溶剂中,其中异丙醇与 水的质量比控制在9:1,用2MH2S04溶液将上面混合溶液pH值调节至1,匀速搅拌2h;称取 l〇〇g质量分数为5%的Nafion溶液,加入95gDMF溶液中,加热到100°C去除水和低沸点溶 剂,得到Nafion/DMF溶
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