一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池质子交换膜制备的技术领域，具体涉及一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及其制备方法。本发明专利技术一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，通过先预制氧化铝‑氧化锆水凝胶，然后在耐高温磺化聚合物表面进行连续高压喷涂和CO2激光器扫描烧结，得到磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体，进一步，在离子液中浸溶，使离子液充分负载于微孔陶瓷薄膜，再复合一层耐高温磺化聚合物，得到燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜能在高温下稳定工作，提高电池工作效率、防止催化剂中毒，其中通过CO2激光器快速扫描烧结，使在耐高温磺化聚合物表面形成微孔陶瓷薄膜，该陶瓷薄膜负载离子液，不但耐高温，而且离子液可以起到传导质子的作用。该质子交换膜100～200℃的温度范围内表现出了较高的导质子率和优异的热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及其制备方法
本专利技术属于燃料电池质子交换膜制备的
，具体涉及一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是近些年来兴起的清洁能源技术装置，是继水力、火力和核能发电之后的新一代发电技术。它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变成电能的高效连续发电装置。通常燃料电池由阳极、阴极及两极之间的电解质组成。在阳极一侧持续通一燃料气，例如H2、CH4、煤气等，阴极一侧通入O2或空气，通过电解质的质子传导，在阴极和阳极发生电子转移，即在两极之间产生电势差，形成一个电池。连接两极，在外电路中形成电流，便可带动负载工作。质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于采用氢作为燃料，具有能量转化效率高，可低温启动与运行，环境友好等特点受到了世界各国的高度关注。然而，要实现PEMFC的产业化，还需要解决一些关键技术与科学问题，如大幅降低Pt等贵金属催化剂的用量以降低电池的成本，提高质子交换膜的保水性能以简化水管理及改善电池高温运行环境，进而提高PEMFC的工作效率。对于后一个问题，虽然Nafion等全氟磺酸固体电解质质子交换膜因具有较高的质子交换膜电导率，目前在PEMFC中得到了广泛的应用，但在高温及低湿条件下，该类型质子交换膜容易失水，其质子导电率大幅下降，导致电池输出性能大幅降低。近期，通过与SiO2、TiO2、CeO2、ZrO2,Al2O3,WO3等纳米氧化物陶瓷材料（MOx，M指金属与Si等元素）复合，改善固体电解质膜的高温保水及低湿度性能已有了大量的报道，但对MOx的作用机理的研究还较少涉及。中国专利技术专利申请号申请号201510058811.1公开了一种纳米陶瓷纤维管燃料电池质子交换膜及制备方法，该专利选取具有耐高温、性能稳定的且具有质子导电性的纳米陶瓷纤维管作为载体材料，形成以纳米陶瓷纤维管为管套，质子导电辅助剂为管芯的纳米陶瓷质子导电纤维体，为质子的快速迁移和传导提供了通道，从而有效地提高了材料的质子导电性；再与陶瓷前驱体溶胶溶液混合形成铸膜液，通过成型和烧结工艺制备得到一种耐高温，使用寿命长，韧性好，质子导电率高的质子交换膜，且该方法能大规模工业化生产，质量稳定，适合燃料电池的推广应用。中国专利技术专利申请号申请号200810046956.X公开了一种基于多孔基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法。基于多孔质子交换膜基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法。其催化剂层包括多孔质子交换膜、催化剂、或者还有质子交换树脂;多孔质子交换膜由含磺酸基团的质子交换树脂单体构成;催化剂为负载型贵金属单质或贵金属合金催化剂。催化剂层的制备是,将多孔质子交换膜浸催化剂料浆后干燥热压成型。膜电极的制备是,将催化剂层置于一涂有微孔层或水管理层的碳纸表面,热压,然后将一质子交换膜置于两个相同的气体扩散层电极之间,膜与催化剂层接触,再热压制得,或按碳纸-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-碳纸的顺序排列,然后热压制得。中国专利技术专利申请号申请号200810160561.2公开了可中温使用的燃料电池质子交换膜及其制备方法。本专利技术可中温使用的燃料电池质子交换膜是一种掺杂磺化苯基膦酸锆的质子交换膜，其特征在于其制膜材料由磺化高分子材料和磺化苯基膦酸盐组成，其中磺化高分子材料的磺化度选择20％～85％，占制膜材料的质量百分比为60％～95％，磺化苯基膦酸盐的磺化度选择30％～90％，占制膜材料的质量百分比为5％～40％。还可以在膜中加入多孔支撑材料，以提高膜的强度，减小变形性。制膜材料填充多孔支撑材料的孔并在多孔支撑材料的外表面形成一层薄膜。本专利技术适合应用于中温醇燃料电池中，以提高燃料电池的操作温度，提高燃料电池的性能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转化效率高、环境友好、室温快速启动等优点。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的关键部件。质子交换膜的工作温度决定了燃料电池的工作温度。通常的，高温能够提高电池的工作效率，可以有效避免催化剂中毒。传统的全氟磺酸型的质子交换膜以水作为质子传导介质，电池的工作温度一般在80℃以下，当电池工作温度超过100℃时，膜内水分的蒸发会造成质子传导性能的急剧下降；并且高温下易发生结构改变和化学降解，膜的机械性能也有所降低。为此，高温质子交换膜的研究开发受到了广泛的关注。
技术实现思路
为了得到高温质子交换膜，使质子交换膜能在高温下稳定工作，提高电池工作效率、防止催化剂中毒，本专利技术提出一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜及制备方法。技术点是预制氧化铝-氧化锆水凝胶，然后在耐高温磺化聚合物表面进行连续高压喷涂和CO2激光器扫描烧结，得到磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体，进一步，在离子液中浸溶，使离子液充分负载于微孔陶瓷薄膜，再复合一层耐高温磺化聚合物，得到燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜，其中离子液为咪唑阳离子与磺酸根阴离子组成的离子液。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：a、将氧化铝、氧化锆粉末按照质量比10～30:20～50混合均匀，得到混合粉末；b、向a步骤得到的混合粉末中滴加氨水，边滴加边搅拌，控制反应温度为50～60℃，氨水流量为1800～2200mL/h，滴加完氨水后再保温1～2h，得到氧化铝-氧化锆水凝胶；c、采用高压喷枪，将b步骤得到的氧化铝-氧化锆水凝胶均匀喷涂在耐高温磺化聚合物表面，形成一层厚度为10～100μm的复合膜；d、采用CO2激光扫描器，对c步骤得到复合膜进行扫描烧结，得到磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体；e、将d步骤得到的磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体在离子液中浸泡12～24h，使得离子液充分负载于磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体上，得到负载有离子液的复合体；f、最后在e步骤得到的负载有离子液的复合体上复合一层耐高温磺化聚合物，经过热压，真空干燥，得到燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜。氧化锆制备成的陶瓷具有相变增韧和微裂纹增韧，所以有很高的强度和韧性，被誉为“陶瓷钢”，在所有陶瓷中它的断裂韧性是最高。具有优异的室温机械性能。在此基础上，我们对氧化锆配方和工艺进行优化，获得了细晶结构的高硬度、高强度和高韧性的氧化锆陶瓷。高硬度、高强度和高韧性就保证了氧化锆陶瓷比其它传统结构陶瓷具有不可比拟的耐磨性。具有细晶结构的陶瓷通过加工可以获得很低的表面粗糙度（<0.1um）。因而减少陶瓷表面的摩擦系数，从而减少磨擦力，提高拉丝的质量（拉出的丝光滑无毛刺，且不易断丝）。氧化锆的这种细晶结构具有自润滑作用，在拉丝时会越拉越光。氧化锆陶瓷的弹性模量和热膨胀系数与钢材相近，因而能有机的与钢件组合成复合拉线轮，不会因受热膨胀不一致而造成损坏或炸裂。使用证明氧化锆陶瓷拉线轮是现代高速拉线机的理想配件。进一步的，上述一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，其中b步骤中氨水浓度为1.5～3mol/L。进一步的，上述一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，其中b步骤中氨水与氧化锆的摩尔比2～3:1。进一步的，上述一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，其中步骤c中高压喷枪的压力为15～30MPa，温度为60～9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a、将氧化铝、氧化锆粉末按照质量比10～30:20～50混合均匀，得到混合粉末；b、向a步骤得到的混合粉末中滴加氨水，边滴加边搅拌，控制反应温度为50～60℃，氨水流量为1800～2200mL/h，滴加完氨水后再保温1～2h，得到氧化铝‑氧化锆水凝胶；c、采用高压喷枪，将b步骤得到的氧化铝‑氧化锆水凝胶均匀喷涂在耐高温磺化聚合物表面，形成一层厚度为10～100μm的复合膜；d、采用CO2激光扫描器，对c步骤得到复合膜进行扫描烧结，得到磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体；e、将d步骤得到的磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体在离子液中浸泡12～24h，使得离子液充分负载于磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体上，得到负载有离子液的复合体；f、最后在e步骤得到的负载有离子液的复合体上复合一层耐高温磺化聚合物，经过热压，真空干燥，得到燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a、将氧化铝、氧化锆粉末按照质量比10～30:20～50混合均匀，得到混合粉末；b、向a步骤得到的混合粉末中滴加氨水，边滴加边搅拌，控制反应温度为50～60℃，氨水流量为1800～2200mL/h，滴加完氨水后再保温1～2h，得到氧化铝-氧化锆水凝胶；c、采用高压喷枪，将b步骤得到的氧化铝-氧化锆水凝胶均匀喷涂在耐高温磺化聚合物表面，形成一层厚度为10～100μm的复合膜；d、采用CO2激光扫描器，对c步骤得到复合膜进行扫描烧结，得到磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体；e、将d步骤得到的磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体在离子液中浸泡12～24h，使得离子液充分负载于磺化聚合物与微孔陶瓷薄膜的复合体上，得到负载有离子液的复合体；f、最后在e步骤得到的负载有离子液的复合体上复合一层耐高温磺化聚合物，经过热压，真空干燥，得到燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜。2.根据权利要求1所述一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，其特征在于，b步骤中氨水浓度为1.5～3mol/L。3.根据权利要求1或2所述一种燃料电池用耐高温陶瓷基质子交换膜的制备方法，其特征在于，b步骤中氨水与氧化锆的摩尔比2～3:1。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，曾军堂，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51