[发明专利]一种可修复的复合物质子交换膜及其制备方法

说明书

一种可修复的复合物质子交换膜及其制备方法，属于甲醇燃料电池技术领域。是将质子传导剂A和甲醇阻隔剂B溶解于溶剂中，混合均匀得到复合物溶液；在60～100℃的条件下加热浓缩，浓缩比为2～8：1；将浓缩后的复合物溶液在硅胶基底上构筑复合物膜，并且在50～80℃的真空条件下干燥1～5小时，复合物涂层可从硅胶基底上脱落；再浸泡在质量分数为1％～10％的稳定剂C的溶液中1～20小时，取出后在50～60℃的真空条件下干燥5～8小时，从而得到可修复的具有良好的质子交换性能以及很低的甲醇透过性的复合物质子交换膜。本发明工艺简单，大大提高了质子交换膜的耐久性，延长了甲醇燃料电池的使用寿命。

技术领域

本发明属于甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种可修复的复合物质子交换膜及其制备方法。

背景技术

化石燃料的快速消耗和随之带来的环境污染问题严重影响着人类的生活和健康。甲醇是一种清洁而廉价的燃料，能量密度高，可以方便地储存携带。直接甲醇燃料电池(DMFCs)可以直接将化学能转化为电能。几年来，由于其高能效、低污染排放、长时间运行和方便的燃料供应，甲醇燃料电池引起了人们的极大关注。作为DMFCs的核心组成部分，质子交换膜(PEM)在电池的整体性能中起着决定性作用。由于甲醇燃料电池工作状态下的质子交换膜是处于温度较高的甲醇水溶液中，所以膜会由于吸水呈现高度溶胀的状态。由于高度膨胀的质子交换膜机械性较差，这就会导致质子交换膜在使用过程中极易会产生机械缺陷，如微裂纹。同时，质子交换膜长期处于由膜两测甲醇的浓度梯度引起的持续渗透压下，这些微裂纹会不可避免的进一步形成更严重机械损伤，极大地减少了膜的使用寿命。更严重的是，一旦出现破损，大量的甲醇会从阳极向阴极渗透，从而使得电池性能严重下降。并且，在实际使用中一旦遇到超过质子交换膜承受极限的损伤，比如说撞击、震荡，将会造成膜被彻底破坏，从而导致甲醇燃料电池失效。因此，赋予质子交换膜自我修复的性能不仅可以延长质子交换膜的使用寿命并提高其实用性还可以保证DMFCs的长期稳定的工作。

受到生物体自修复功能的启发，人们制备了自修复功能材料。这种人造自修复材料可以利用材料内部的物质和能量修复材料的结构损伤同时恢复材料原有功能。其中本征型修复方法近年来来受到广泛的关注。其可以利用动态共价键或者非共价键的可逆重组来实现材料机械损伤的多次修复。虽然自修复功能已经成功地赋予给了各种人工材料，但制备可以同时恢复机械损伤和功能的PEMs仍然具有挑战性。现阶段涉及可修复的复合物质子交换膜的工作并不多见。而且还未有可用于甲醇燃料电池的可修复的复合物质子交换膜的相关报道。其中学术期刊(J.Electrochem.Soc.2016,163,F1267-F1271)中报道了在商业化Nafion中包覆尿醛树脂修复剂的方式制备了用于氢氧燃料电池的可修复的复合物质子交换膜的工作。当质子交换膜产生机械损伤时候，胶囊里面的尿醛修复剂会自发流出修复伤口。然而，利用微胶囊或微管网络包覆修复剂进行外源性自修复的方法在技术上是困难的。一是因为内嵌的胶囊和微管网络通常会降低质子交换膜的质子传导性并且增加甲醇的渗透性。同时，这种修复材料在修复损伤的过程中会有修复剂泄露的现象存在。泄露的修复剂极易导致催化剂中毒从而严重降低电池的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种可修复的复合物质子交换膜的制备方法，其步骤如下：

1)溶液的配制：分别将质子传导剂A和甲醇阻隔剂B溶解于溶剂(二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、甲醇、水、乙醇中的一种或一种以上)中，混合均匀得到复合物溶液；复合物溶液中，质子传导剂A的质量分数为0.5～5％，甲醇阻隔剂B的质量分数为0～5％；进一步地，质子传导剂A和甲醇阻隔剂B的质量比例为1～5：1；

2)将步骤1)得到的复合物溶液在60～100℃的条件下加热浓缩，浓缩比为2～8：1；将浓缩后的复合物溶液在硅胶基底上构筑(旋涂、滴涂、刮涂或提拉成膜)复合物膜，并且在50～80℃的真空条件下干燥1～5小时，复合物涂层可从硅胶基底上脱落；