[实用新型]质子交换膜和燃料电池

说明书

本申请提供一种质子交换膜和燃料电池。该质子交换膜包括本体，起到传递质子和阻隔气体的作用；氧化石墨烯薄片，与所述本体并排设置，且所述氧化石墨烯薄片的一侧连接在所述本体的侧面上。在本体的侧面上设置氧化石墨烯薄片，使得PEM具有很好的氧化还原功能，这使得氧化石墨烯的表面更容易产生氧并和质子生成水，从而进一步提高PEM的自增湿性能；氧化石墨烯薄片能大幅降低PEM的内阻，加速膜的水反扩散系数，加快质子传导速率。

技术领域

本申请属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜和燃料电池。

背景技术

随着化石燃料的日趋枯竭以及化石燃料燃烧所引起的环境危机日益严峻，新能源的开发引起了越来越多的关注。石油燃料的使用对环境造成了严重的污染，开发新型零污染能源越来越受到人们的关注。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane FuelCell，PEMFC)是一种无燃料燃烧过程的环保能量转换装置，因其具有零排放、低噪音且能量转换率高、能量密度大和可在低温启动等优点而备受青睐，被认为是能源的终极模式。

质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)是燃料电池电化学反应的核心通道，发挥着传递质子和阻隔反应气体的作用。优良的PEM应具有：高的质子传导率，低的气体渗透率，良好的热稳定性，足够的机械强度，化学稳定性以及适当的性价比。目前，市场上通用的PEM是美国杜邦公司生产的电聚合物膜，以及加拿大Gore公司生产的复合膜。这两种膜都存在无法自增湿以及保水能力不足的问题，尤其是在高温环境中。而氢离子或质子在PEM中的传递率与膜的含水量成线性关系。而且整个质子交换膜的均匀水化可以防止膜局部失水和局部受热，可避免由于膜局部失水和局部发热造成的电池性能下降和膜材料降解。也就是说，PEMFC的电池性能很大程度上是取决于PEM中的水含量。

目前，PEMFC的加湿方式主要包括外增湿和内增湿两种方式。外增湿是利用气体加湿器给即将进入电池的气体进行加湿，该方法可以实现对PEM的有效加湿，但也使得电池系统的结构变得更加复杂，增加了耗能，降低了燃料电池的净输出功率。内增湿主要是利用燃料电池在运行过程中发生电化学反应过程所生成的水对PEM进行加湿。这种内增湿方式不需要借助外部设备就能维持电池的正常工作。

有技术报道了将具有保湿功能的无机亲水性材料涂覆在扩散层的一侧，使扩散层一面形成恒湿层，然后将催化剂涂覆到恒湿层上，然后将其热压至PEM 的两侧，该结构虽然提高了PEM的保水性能，但由于无机亲水材料的质子传导率较差，增加了膜电极的内阻，其次，保水层可能会阻碍气体扩散进入催化层，从而降低电池的电性能，最后，在PEM表面制备均匀无机亲水材料也存在较大的困难。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种质子交换膜及其制备方法和燃料电池，能够提高传导率。

为了解决上述问题，本申请提供一种质子交换膜，包括：

本体，起到传递质子和阻隔气体的作用；

氧化石墨烯薄片，与所述本体并排设置，且所述氧化石墨烯薄片的一侧连接在所述本体的侧面上。

优选地，所述本体内包括有均匀分布的催化剂活性成分，所述催化剂活性成分包括铂、金、钯或银中的至少一种。

优选地，所述本体包括高分子多孔膜，所述催化剂活性成分均匀分散在所述高分子多孔膜内；所述高分子多孔膜的材料包括聚四氟乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯中的至少一种。

优选地，所述质子交换膜还包括有无机纳米粒子层，所述无机纳米粒子层设在所述氧化石墨烯薄片的另一侧上。

优选地，所述无机纳米粒子层的材质包括纳米级SiO₂、纳米级TiO₂、纳米级Zr(HPO₄)₂和纳米级ZrO₂中至少一种。