[发明专利]直接甲醇燃料电池用的阻醇膜及其制法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接甲醇燃料电池用的膜及其制法和应用，特别是涉及一种直接甲醇燃料电池用的阻醇膜及其制法和应用。

背景技术

随着电子和信息工业的快速发展，无线通讯设备和各类便携式消费类电子产品不断涌现并迅猛增长，功能不断强大，用户对所配置的电池性能提出了更高的要求，而且市场需求巨大。如何制造高比能、续航时间更长、更安全的新型移动电源一直是近年来全球研究的热点，也是我国积极应对国际竞争、占领具有巨大市场前景的移动电子产品产业链制高点的迫切要求，必将为我国经济发展带来新的增长点和可观的经济效益。以近期应用为目标的直接甲醇燃料电池(DMFC)代表了高比能化学电源的发展方向，但其能量转换效率、功率密度、成本和寿命尚难满足实用化要求，还有待进一步的深入研究，攻克制约其发展的技术瓶颈。

DMFC是用甲醇为燃料，在电催化剂的作用下，将储存在燃料中的化学能转变成电能，对外做功的发电装置。它具有理论比能量密度高，结构紧凑、系统简单，微型化潜力大；燃料来源丰富，价格低廉，环境友好等特点。与氢氧燃料电池相比，直接醇类燃料电池不存在氢储存和运输时的安全性问题，能更有效地实现燃料电池的微型化设计和应用。所以，DMFC是微小型电子设备供电的优选便携式电源，具有广阔的商业化前景。

然而，直接甲醇燃料电池要达到实际应用还有许多科学的和技术的问题有待进一步解决，主要面临以下几个问题：(1)甲醇电氧化速率慢，由于甲醇氧化是一种自中毒过程，氧化过电位高，使得实际输出电压较理论电势低很多；(2)阴极水淹严重，阴极反应产生的水和阳极扩散过去的水在阴极累积，将电极内部的气孔阻塞，限制阴极反应物和产物的传质，使得电极反应传质受限；(3)催化剂价格昂贵，用量较大，使得DMFC成本较高；(4)甲醇易通过固体电解质膜渗透到阴极，不但降低了燃料利用率，还导致阴极催化剂对氧还原活性的降低，在阴极上产生“混合电位”，导致电池性能降低。阳极燃料浓度越高，燃料在单位时间内渗透到阴极的甲醇量就越多，导致电池性能的衰减就越大。因此，为了缓解甲醇的跨膜传输、提升DMFC的功率密度，通常要将甲醇溶液的使用浓度降低。但采用太低浓度的甲醇溶液作为燃料，甲醇在阳极的传输速度较慢，导致电池在相对低的电流下就受传质控制，使得燃料电池系统的功率密度很低。

解决甲醇渗透问题是促进微小型DMFC发展至关重要的问题。高浓度的甲醇具有较高的能量密度，但是会导致较为严重的甲醇渗透，在阴极产生混合电位，从而性能较差。机理是这样，甲醇分子通过膜扩散，直接在阴极催化剂表面被氧气氧化。随着电流密度的增加，扩散速度减小，因为阳极甲醇消耗的速度较快。这就导致从阳极穿过膜到阴极有一定的浓度梯度。除了浓差扩散外，还有电渗作用，就像水分子可以携带质子迁移一样，甲醇也可以和质子结合，在电渗作用下发生迁移。甲醇扩散有两大害处：甲醇自身放电产生热量，不产生电流和急剧减小电压。换句话说，这就像“化学短路”。在一个DMFC中，高温操作和低的甲醇浓度也可以降低甲醇渗透速率，但是这对DMFC而言不能从本质上解决问题。

氟化离子聚合物膜是燃料电池所用电解质膜中较好的。近些年，无论是工业还是学术上，都就聚合物燃料电池膜的问题展开了大量的研究。它是由氟碳主链和末端带有磺酸根的醚支链构成。在这类材料中，最有名的还属杜邦公司的Nafion膜。现在DMFC所用的聚合物电解质膜都存在甲醇渗透率高和高电渗迁移的问题。解决甲醇渗透问题的最好方法是研制一种新型的传导质子的膜。这种新的聚合体包括聚苯并咪唑、聚酰胺、多醚酰亚胺、聚矾、聚亚苯基硫化物等。这些膜虽然可以减小甲醇的渗透，但它们的离子传导率低。另一种方法是改进Nafion膜，使其适用于DMFC。通过混合不同种聚合物形成混合膜，例如，一种用锆和磷酸盐处理过的膜可以降低甲醇渗透，磷酸盐层能够使较多的水透过，而不是甲醇。掺杂酸的聚苯并咪唑甲醇渗透率较低，加入像钯和钽金属层这样的无机材料也可以抑制甲醇渗透。但这些方法也会因电荷传递过电位造成电池性能损失。

Nafion憎水区域点缀在富含离子的亲水区域中，这个观点已经被广泛接受。甲醇主要是通过富含水的区域扩散的。因而，为了选择性的封住Nafion膜表面上由磺酸簇构成的富水区域是抑制甲醇渗透大有希望的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种直接甲醇燃料电池用的阻醇膜及其制法和应用。通过改进Nafion膜的方法制备的阻醇膜，适用于直接甲醇燃料电池，且该阻醇膜的使用可以有效地降低液态燃料跨膜传输速度，有效地提高了直接甲醇燃料电池系统的性能及燃料的利用率。