专利名称：质子交换膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于离子交换膜技术领域，具体涉及一种质子交换膜，它尤其适用于燃料电池。
(2)对某些碳氢化合物导通。由于高聚物的结构特点和合成过程中的技术路线特点，使得制成的薄膜中不可避免存在空洞，某些性能合适的碳氢化合物可直接穿过空洞；降低原料的利用效率。
(3)催化剂中毒。Nafion所使用的阳极催化剂存在一氧化碳中毒问题。
这些缺点使质子交换膜燃料电池实现规模化商业生产受到了限制。见“Proton-conducting polymer electrolyte membranes based onhydrocarbon polymers”(Prog.Polym.Sci.25(2000)，1463-1502)和“Hybrid Nafion-inorganic membrane with potential applications forpolymer electrolyte fuel cells”(Journal of ElectroanalyticalChemistry，489(2000)，101-105)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的质子交换膜。该质子交换膜具有易于成膜、成本低的特点，并且能解决催化剂中毒问题。本发明还提供了制备该质子交换膜的方法。
为实现上述发明目的，该质子交换膜由一块厚度h≤1mm的陶瓷薄膜构成，在该陶瓷薄膜上有序分布有若干微孔，其孔径n≤2mm，微孔遍布整个陶瓷薄膜，在所述陶瓷薄膜的微孔内填充有高电导率的电解质。
上述质子交换膜的制备方法为(1)在厚度h≤1mm金属薄膜上制备有序微孔；(2)用电化学方法或其它方式将表面或全部氧化成陶瓷；(3)在陶瓷薄膜的微孔中填充高电导率的电解质。
上述金属薄膜最好选用铝膜。
本发明所指的“有序微孔”是指孔隙管道平直、垂直于膜孔表面的微孔。传统的微孔膜中的微孔管道是曲折、三维随机分布，这使得其中的扩散物质的路程大幅度加长。为了提高渗透通量，可以采用厚度较薄的微孔膜，或采用较大的渗透驱动力，但这都会增加非目标粒子的透过能力。有序微孔膜中的孔隙管道平直、垂直于膜孔表面，保证微孔在膜中分布及膜性能的均匀性，使其在不损失选择性的前提下提高渗透通量。目前，采用阳极氧化法，可以制取孔径5-200nm，密度达1011个/cm2的有序微孔膜，而且非常均匀。以上述有序微孔陶瓷膜作为骨架，在微孔中充填电解质，即可制得燃料电池中的电解质膜，这样就不需要对电解质单独成膜，可以根据需要选择高电导率的无机或有机电解质，如各种超酸。这样，本发明方法巧妙地解决了Nafion成膜困难的问题，并且便于实现质子交换膜的规模化工业生产，大幅度降低制造成本。
当本发明的微孔孔径达到纳米数量级时，充填电解质后，有序微孔膜中的残余孔隙管道直径为纳米数量级，并且它也应是有序化的，这种有序化纳米毛细管中也应存在毛细压力的作用，因此可大幅度提高渗透通量，此外，有序化的纳米微孔还可能给微孔膜本身及附着的催化剂带来很多特殊的催化、吸附特性，提高电极的催化效率。
据研究，如将质子交换膜的工作温度提高到130℃即可消除催化剂的一氧化碳的中毒问题。但是，当温度高于90℃后，Nafion系列膜的含水量随温度的升高而快速降低，使其导电性也快速下降的，因而难以提高其工作温度。但本发明可以通过提高电解质膜本身的工作温度来解决催化剂的中毒问题。
孔径n最好为纳米数量级，即n≤1um，此时本发明的效果最佳。本发明可以使用现有的各种方法在金属薄膜上打孔，如激光打孔法或电化学腐蚀方法等。也可以采用现有的各种方法将微孔金属膜表面氧化成陶瓷膜，如阳极氧化法、空气氧化法等。
本发明提供的质子交换膜，作为一种新型材料，在电化学、环保、分离、微电子等领域也具有广阔的应用前景。如可用作电池作业、电解行业、水处理电化学方法中的电解质膜；膜技术中的分离膜，微电子器件如超级电容器的隔离膜等等。
权利要求
1.一种质子交换膜，其特征在于它由一块厚度h≤1mm的陶瓷薄膜构成，在该陶瓷薄膜上有序分布有若干微孔，其孔径n≤2mm，微孔遍布整个陶瓷薄膜，在所述陶瓷薄膜的微孔内填充有高电导率的电解质。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于所述孔径n≤1um。
3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜，其特征在于所述陶瓷薄膜上的微孔为均匀分布。
4.根据权利要求1或2所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于(1)在厚度h≤1mm金属薄膜上制备有序微孔；(2)将上述金属薄膜表面或全部氧化成陶瓷薄膜；(3)在陶瓷薄膜的微孔中填充高电导率的电解质。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜，其特征在于所述金属薄膜为铝膜。
全文摘要
本发明公开了一种质子交换膜及其制备方法。该质子交换膜由一块厚度h≤1mm的陶瓷薄膜构成，在该陶瓷薄膜上有序分布有若干微孔，其孔径n≤2mm，微孔遍布整个陶瓷薄膜，在所述陶瓷薄膜的微孔内填充有高电导率的电解质。孔径n最好为纳米数量级。该质子交换膜的制备方法为首先在厚度h≤1mm金属薄膜上制备有序微孔；再用电化学方法或其它方式氧化成陶瓷薄膜；然后在陶瓷薄膜的微孔中填充高电导率的电解质。上述金属薄膜最好选用铝膜。本发明具有成膜容易，制造成本低的特点，并且可以通过提高质子交换膜的工作温度解决催化剂中毒的问题。
文档编号H01M4/94GK1411085SQ01133538
公开日2003年4月16日 申请日期2001年10月8日 优先权日2001年10月8日
发明者索进平, 崔崑, 钱晓良, 孙尧卿 申请人:华中科技大学