具有抗气体渗透层及增湿功能的燃料电池质子交换膜及制备方法，该质子交换膜是在多孔聚合物基质子交换膜的中间复合了一层Ｈ↓［２］、Ｏ↓［２］反气体渗透膜或层，该反渗透膜或层由多孔质子交换膜基体和填充体组成，其中填充体是催化剂，或者是无机纳米粒子或／和质子交换树脂。制备方法是：将填充材料分散于溶剂中，制得催化剂料浆；将多孔质子交换膜浸渍于催化剂料浆，制成填充催化剂的多孔质子交换膜；热压制成反气体渗透膜或层，并与多孔聚合物基质子交换膜按多孔聚合物基质子交换膜－反气体渗透膜－多孔聚合物基质子交换膜顺序上下叠齐，在其底部和上部各放置一张相同尺寸的聚四氟乙烯薄膜，经热压后，揭去表层的聚四氟乙烯薄膜即得。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种以燃料电池用增强型质子交换膜及制备方法，该质子交换膜具有低的 气体渗透性和较强的增湿功能，有利于提高燃料电池的性能。技术背景质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)是PEMFC的核心组成部件之一。 目前通常使用的是由杜邦公司生产的全氟磺酸质子交换膜(Nafior^膜)，该膜具有比较好 的质子传导能力和长的使用寿命。但这种膜的缺点是合成路线长，加工工艺复杂，价格昂 贵，而且吸水后会易溶胀变形，机械强度下降。而且当用于直接甲醇燃料电池(DMFC) 时，具有较高的甲醇渗透性，大大降低了燃料电池的性能。聚合物多孔膜，如e-PTFE多 孔膜，因机械强度和尺寸稳定性好而成为人们研究的首选基材之一。如果应用基于e-PTFE 的增强型复合质子交换膜代替Nafior^膜不仅可以提高电池性能和节省材料，而且可提高 膜的机械强度和尺寸稳定性。目前，美国W丄.Gore and Association公司及国内武汉理工 大学等单位已相继成功开发了基于e-PTFE的系列商用复合质子交换膜。目前商业化的多孔聚合物基复合质子交换膜通常是由通过向单个的多孔膜内填充固体 聚电解质(Solid polyelectrolyte， SPE)而获得的。研究表明，对于给定的多孔聚合物基体， 无论采用什么样的填充方法所得到的复合膜，膜内仍会有不低于0.05%的孔隙。这些残余 的孔隙将会使阴阳两极间反应气体(氧气/氢气)相互渗透的几率随着电池运行时间的增加 而增加，从而对燃料电池的性能及耐久性能带来不利的影响。对多孔聚合物基体膜进行表 面改性也是一种提高复合膜填充度的行之有效的方法。如武汉理工大学采用亲水化的 e-PTFE作为填充基体(CN1S61668)，使复合膜的填充度得到进一步提高。但由于采用了表 面活性剂，可能会对复合膜的热稳定性和电化学稳定性带来影响。此外，武汉理工大学通 过制备一种具有复层结构的质子交换膜(ZL200510018751.7)，即在该膜的最中间层复合了 一层无机纳米粒子和Pt金属粒子与固体聚电解质填充的多孔聚合物增强复合质子交换膜， 也可以达到有效降低增强型质子交换膜气体渗透性的目的。但由于采用了三层多孔聚合物 增强复合质子交换膜，该方法将会在一定程度上增加质子交换膜的质子迁移阻力。目前耐干型质子交换膜及高温质子交换膜是当前的研究热点之一，这是因为该类型膜 可以大大改善燃料电池的工作环境，并提高燃料电池的寿命。对于全氟质子交换膜，提高其耐干型及耐高温性的通常方法是往质子交换胰内掺杂纳米保湿粒子，如纳米Si02、 Ti02 等；对于非氟质子交换膜，通常是合成具有耐高温的磺化非氟聚合物膜，如磺化聚醚醚硐 (SPEEK)、磺化聚苯并咪唑(SBPI)等，此外，通过添加纳米保湿粒子也可同时增加其 高温的保水性能。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种燃料电池用具有抗气体渗透和增湿功能的质子交换膜，本发 明还提供所述质子交换膜的制备方法。本专利技术的一种具有抗气体渗透和增湿功能的燃料电池用质子交换膜，特点是在多孔聚 合物基质子交换膜的中间复合了一层H2、 02反气体渗透膜或层，该反渗透膜或层由多孔质 子交换膜基体、催化剂，或者还有质子交换树脂、或者还有无机纳米粒子填充体构成。本专利技术所述的多孔聚合物基质子交换膜，是由多孔聚合物和质子交换树脂填充体组成 的一种质子交换膜材料，其中，所述多孔聚合物是膨体聚四氟乙烯膜(e-PTFE)，膨体聚 偏氟乙烯膜(e-PVDF)或膨体聚内烯膜(e-PP)，多孔聚合物膜的平均孔径为0.2 2pm， 平均厚度不大于50|_im，孔隙率不小于60%。所述质子交换树脂是全氟磺酸树脂或是具有 质子交换功能的磺化热稳定性聚合物，选自磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚 苯并咪晔树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化间规聚苯 乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧垸树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共 聚物树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯树脂、脂磺化聚氧亚苯树脂及磺化聚醚醚 酮树脂中的任一种。本专利技术所述的多孔聚合物基质子交换膜或者是由多孔聚合物和质子交换树脂填充体及 无机纳米粒子组成的一种膜材料，为纳米粒子掺杂多孔聚合物基质子交换膜，其中的无机 纳米粒子是纳米Si02、纳米Ti02、纳米Zr(HP04)或纳米ZrCU呆水粒子。本专利技术所述的反气体渗透膜或层，其中，所述多孔质子交换膜由上述的质子交换树脂 单体构成，其孔隙率不小于60%， 一般大于80%;所述催化剂为Pt或Pt合金催化剂PtxMy 或PtxMyNz，其中M、 N分别为Ru、 Pd、 Rh、 Ir、 Os、 Fe、 Cr、 Ni、 Co、 Mn、 Cu、 Ti、 Sn、 V、 Ga及Mo中的任一金属元素，且M、 N互不相同，x、 y、 z为催化剂中各金属质 量比，其数值分别为0-100中的自然数，且x+尸100或x+y+z^100中的任意一种。对于负 载型催化剂，载体为纳米导电碳黑、介孔碳、导电陶瓷、石墨、碳纳米管和纳米碳纤维中 的任一种。本专利技术所述的多孔聚合物基质子交换膜采用商用复合质子交换膜或通过武汉理工大学 专利技术专利ZL200510018750.2的制备方法获得，其制备步骤如下1) 将多孔聚合物膜浸入用乙醇、异丙醇或醇水溶液中进行清洗，醇水溶液中醇与水的 质量比为1 100:1，充分千燥后，用薄形的铝框、不锈钢框或聚脂框将膜夹紧；2) 将多孔聚合物膜浸入到质子交换树脂溶液中，溶液中质子交换膜树脂含量为1-20%， 其余为异丙醇及水，5~20分钟后，将浸渍的膜取出，水平放置于加热板上进行干燥，其间 用胶辊对膜两侧分别进行滚压；3) 将滚压后的膜再按步骤2进行2 7次的重复处理，重复次数由多孔聚合物膜的厚 度决定对于厚度为1 5pm的多孔聚合物膜，重复2 3次，对于5 10(im的多孔聚合物膜， 重复行3 4次，对于10~25pm的多孔聚合物膜，重复4~5次，对于大于25pm的多孔聚合 物膜，则需要重复5 7次。本专利技术所述的无机纳米粒子掺杂多孔聚合物基质子交换膜，按武汉理工大学专利技术专利 ZL200510018749. X的制备方法获得，其制备步骤如下1) 将多孔聚合物基膜浸入到无机纳米粒子/质子交换树脂溶液中，5~20分钟后，将膜 取出，水平放置于加热板上干燥，其间用胶辊对膜进行滚压；2) 将滚压膜按步骤1重复2 7次，对于厚度为l~5|am的多孔聚合物膜，重复2~3次， 对于5 10pm的多孔聚合物膜，重复3~4次，对于10 25)am的多孔聚合物膜，重复4~5次， 对于大于25pm的多孔聚合物膜，则需要进行5 7次的重复处理。本专利技术所述的反气体渗透膜或层及质子交换膜的制备步骤具体如下1) 将催化剂，或者催化剂和无机纳米粒子分散于溶剂中，在真空条件下充分分散，制 得催化剂料浆，催化剂与溶剂的质量比为1:5 20。当添加无机纳米粒子时，催化剂、无机 纳米粒子与溶剂的质量比为l: 1 10: 100。所述催化剂如果是负载型催化剂时，或者预先 进行氧化处理，以增加碳载体表面的活性基团，提高催化剂润湿性及质子导电率。其预先 氧化处理过程为将催化剂置于HN03、 H2S本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有抗气体渗透层及增湿功能的燃料电池质子交换膜，其特点在于，它是在多孔聚合物基质子交换膜的中间复合了一层Ｈ↓［２］、Ｏ↓［２］反气体渗透膜或层，该反渗透膜或层由多孔质子交换膜基体、催化剂、或者还有质子交换树脂、或者还有无机纳米粒子填充体构成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：木士春，王晓恩，潘牧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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