[发明专利]基于生物材料的直接甲醇燃料电池质子交换膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于生物材料的燃料电池质子交换膜、其制备方法、以及包括该质子交换膜的燃料电池。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)所采用的液体燃料决定了其便携性，是最有希望成为移动电源，分散电站的燃料电池类型。DMFC的能量转化率高，启动时间快，在未来的新能源时代，有望成为能源结构不可或缺的重要组成部分。

质子交换膜(PEM)是燃料电池的核心部件。在燃料电池的质子传导和两极隔离方面起重要的作用。质子交换膜在燃料电池内部实现质子的迁移与输送，使甲醇还原后产生的质子能够通过其从阳极到达阴极，与外电路的电子构成回路，向外界提供电流。因此质子交换膜的结构与性质对燃料电池的综合性能起着决定性的作用，其性能优劣直接影响电池的正常运行与使用寿命。

现阶段商业化的质子交换膜主要有杜邦公司的Nafion膜，但是由于其燃料泄露即甲醇渗透严重，加之高昂的价格与复杂的制备工艺以及较高的环境负荷，使得燃料电池的发展受到了限制。发展阻醇性能好、成本低，性能优异且环境友好的新型质子交换膜一直是PEM研究的一个重要方向。目前对新型质子交换膜的研究主要集中在Nafion膜的改性、化学合成材料的更新以及新型生物材料PEM的研发三方面。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明人提出了采用人或动物羊膜加工制作燃料电池质子交换膜的解决方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于燃料电池的质子交换膜，其特征在于所述质子交换膜包括至少一层人或动物羊膜。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于生物材料的燃料电池质子交换膜制备方法，其特征在于包括：

对采集的羊膜进行脱细胞处理，以及

用经过所述防微生物及防腐处理之后的所述羊膜作为所述燃料电池质子交换膜。

根据本发明的又一个方面，提供了一种具有生物材料的质子交换膜的燃料电池，其特征在于所述燃料电池包括用上述方法制备的质子交换膜。

根据本发明的又一个方面，提供了一种具有生物材料的质子交换膜的燃料电池，其特征在于所述燃料电池包括上述的质子交换膜。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例的燃料电池的性能曲线，其具有由五层叠加的羊膜构成的质子交换膜。

具体实施方式

羊膜是一种天然高分子生物材料，含胶原、糖蛋白、蛋白多糖、整合素和板层体等多种成分。正常羊膜组织结构分为上皮细胞层、基底膜、致密层、纤维细胞层及海绵层。

(对于哺乳动物或人来说，在胎儿生产时，羊膜即被母体排弃。所以，被排弃后的羊膜就已经不是人或动物体组织，甚至也不(象头发、指甲等)是人或动物的一个附属部分，而是人或动物的排弃物。)

本发明采用被排弃后的人或哺乳动物羊膜。

根据本发明的经过制备加工的羊膜只含基底膜、致密层、纤维细胞层及海绵层，上皮细胞层在制备时被剥离。羊膜细胞外基质是指将动物羊膜经过组织工程技术处理后，去除其上皮细胞或使上皮细胞失活，保留基底膜、致密层、纤维细胞层及海绵层的生物材料。

采用机械法和化学法制备的羊膜细胞的特点包括：

-新鲜制备的羊膜细胞外基质与中期保存的羊膜细胞外基质两者的基底膜厚0.1～0.2μm，厚薄不均，为电子密度高的均质层，致密层厚30～400μm，其主要结构由胶原纤维、网状纤维和基质组成，其中胶原纤维与网状纤维相互交织排列成网状，偶见成纤维细胞。

-长期保存的羊膜细胞外基质的基底膜厚0.2～0.3μm，为电子密度高的均质层，致密层厚20-400μm，其中致密层的主要成分为胶原纤维和网状纤维，无细胞结构，新鲜制备的羊膜细胞外基质与中、长期保存羊膜细胞外基质致密层结构均相似，电镜下三者的胶原原纤维结构完全一致。这种致密的网状结构为保证质子传导和阻止甲醇扩散提供了很好的条件。

-羊膜来源广泛，可普遍得自哺乳动物，因此成本极低；而且制备与采集工艺简单，可以在短时间内大量制备。

本发明将羊膜这种生物材料引进燃料电池的应用。根据本发明加工的羊膜的优点包括：

-原料来源广泛；

-环境友好，可被完全降解；

-电导能力强并且可通过层数的增加来控制结构调节机械强度，亲水性能很好，利于质子传导；

-整个电解质均为生物材料；

-羊膜层数可从单层叠加到多层(如多至20层，优选5-7层)；

-本发明与现有的生物质子交换膜相比，具有结构可控，机械强度可调，电导性能好的显著优势。

实施例

I.羊膜的取样、预处理及燃料电池的设置

实施例1