一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池技术

技术编号：41336697 阅读：4 留言：0更新日期：2024-05-20 09:55

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池。本发明专利技术提供的一种质子交换膜，包括依次设置的第一树脂层、增强层和第二树脂层；所述第一树脂层和所述第二树脂层包括树脂材料以及分散于所述树脂材料中的含有保水剂的Ce基金属有机骨架材料；所述增强层包括多孔基膜以及填充于所述多孔基膜的孔隙中的复合材料，所述复合材料包括树脂材料和含有保水剂的Ce基金属有机骨架材料。本发明专利技术提供的质子交换膜，通过含有保水剂的Ce基金属有机骨架材料的添加，有效改善了保水剂流失问题，解决了质子交换膜在低湿条件下的质子传导问题。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，尤其是涉及一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池。

技术介绍

1、在燃料电池中，膜电极是电堆的核心零部件，而质子交换膜则是膜电极中承担质子传递和隔离阴阳极反应气体的主要组成部分。通常情况下，质子电导率较高的质子膜性能优于质子电导率较低的质子膜。在质子交换膜的开发中，一般通过提高质子膜的电导率来提升膜电极的性能。

2、质子交换膜中质子的传递载体是水合氢离子，也就意味着质子膜中水含量越高则膜的电导率越高。目前，通过提高质子膜的容水能力来提高质子膜的电导率，包括两种方法，一种是通过修饰质子交换膜树脂的官能团，使其带有更多的亲水基团；另一种是通过在树脂中掺入保水剂。

3、在树脂的主链或者侧链上进行修饰，使聚合物链段上带有大量的亲水基团，但存在树脂的主链或侧链上增加官能团比较困难的缺陷。在树脂中掺入保水剂，工艺简单，例如将无机材料掺入在质子膜中，使用初期会增强其电导率，但是使用过程中无机离子容易流失，当无机材料流失之后质子交换膜的电导率会迅速下降。

4、有鉴于此，特提出此专利技术。

技术实现思路

1、本专利技术的第一目的在于提供一种质子交换膜，通过含有保水剂的ce基金属有机骨架材料的添加，有效改善了保水剂流失的问题。

2、本专利技术的第二目的在于提供一种上述质子交换膜的制备方法。

3、本专利技术的第三目的在于提供一种燃料电池用高温质子交换膜。

4、为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：</p>

5、本专利技术提供了一种质子交换膜，包括依次设置的第一树脂层、增强层和第二树脂层；

6、所述第一树脂层和所述第二树脂层包括树脂材料以及分散于所述树脂材料中的含有保水剂的ce基金属有机骨架材料；

7、所述增强层包括多孔基膜以及填充于所述多孔基膜的孔隙中的复合材料，所述复合材料包括树脂材料和含有保水剂的ce基金属有机骨架材料。

8、进一步地，所述含有保水剂的ce基金属有机骨架材料的制备方法，包括如下步骤：

9、铈盐、邻氨基对苯二羧酸和碱进行水热反应，得到固体沉淀；所述固体沉淀依次经除杂、溶剂置换处理和活化处理，得到ce基金属有机骨架材料；

10、将保水剂和ce基金属有机骨架材料混合后进行研磨，得到所述含有保水剂的ce基金属有机骨架材料。

11、进一步地，所述保水剂包括磷钨酸、磷硅酸和磷钼酸中的至少一种。

12、进一步地，所述铈盐、所述邻氨基对苯二羧酸和所述碱的摩尔比为1：(1～1.3)：(2～2.4)；

13、和/或，所述保水剂和所述ce基金属有机骨架材料的质量比为(0.05～0.2)：1。

14、进一步地，所述第一树脂层和所述第二树脂层中，所述树脂材料和所述含有保水剂的ce基金属有机骨架材料的质量比为(20～30)：1；

15、和/或，所述增强层中，所述树脂材料和所述含有保水剂的ce基金属有机骨架材料的质量比为(20～30)：1。

16、进一步地，所述树脂材料包括全氟磺酸树脂和/或碳氢树脂；

17、和/或，所述多孔基膜包括膨体聚四氟乙烯膜。

18、进一步地，包括以下特征(1)至(3)中的至少一种；

19、(1)所述第一树脂层的厚度为60～70μm；

20、(2)所述增强层的厚度为2～6μm；

21、(3)所述第二树脂层的厚度为40～50μm。

22、本专利技术还提供了如上所述的质子交换膜的制备方法，包括如下步骤：

23、将树脂材料、含有保水剂的ce基金属有机骨架材料和第一溶剂混匀，得到第一混合溶液；将所述第一混合溶液刮涂在基底上，得到第一树脂层，将多孔基膜铺设于所述第一树脂层的表面，进行第一干燥后，将所述第一混合溶液刮涂在所述多孔基膜上，得到所述质子交换膜；

24、或者，

25、将含有保水剂的ce基金属有机骨架材料和第二溶剂混匀，得到第二混合溶液；将多孔基膜在所述第二混合溶液中浸渍后，进行第二干燥，得到增强层；将树脂材料涂覆于所述增强层的两侧，得到所述质子交换膜。

26、进一步地，所述第一干燥包括在40～60℃下干燥5～15min；

27、和/或，所述第二干燥包括在320～350℃下干燥0.5～1.5h。

28、本专利技术还提供了一种燃料电池，包括如上所述的质子交换膜。

29、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：

30、本专利技术提供的质子交换膜，通过含有保水剂的ce基金属有机骨架材料的添加，将保水剂固定在ce基金属有机骨架材料的大量孔结构的空隙中，有效改善了保水剂流失问题，解决了质子交换膜在低湿条件下的质子传导问题。

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【技术保护点】

1.一种质子交换膜，其特征在于，包括依次设置的第一树脂层、增强层和第二树脂层；

2.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述含有保水剂的Ce基金属有机骨架材料的制备方法，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，所述保水剂包括磷钨酸、磷硅酸和磷钼酸中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，所述铈盐、所述邻氨基对苯二羧酸和所述碱的摩尔比为1：(1～1.3)：(2～2.4)；

5.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述第一树脂层和所述第二树脂层中，所述树脂材料和所述含有保水剂的Ce基金属有机骨架材料的质量比为(20～30)：1；

6.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述树脂材料包括全氟磺酸树脂和/或碳氢树脂；

7.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，包括以下特征(1)至(3)中的至少一种；

8.权利要求1～7任一项所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的质子交换膜的制备

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的质子交换膜。

...

【技术特征摘要】

1.一种质子交换膜，其特征在于，包括依次设置的第一树脂层、增强层和第二树脂层；

2.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述含有保水剂的ce基金属有机骨架材料的制备方法，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，所述保水剂包括磷钨酸、磷硅酸和磷钼酸中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，所述铈盐、所述邻氨基对苯二羧酸和所述碱的摩尔比为1：(1～1.3)：(2～2.4)；

5.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述第一树脂层和所述第二树脂层中，所述树脂材料和所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙成，郝亚士，段宇廷，汪尚尚，郭德新，方川，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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