[发明专利]一种氢燃料电池用质子交换膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氢燃料电池用质子交换膜及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：制备微生物矿化插层改性的蒙脱土；制备掺杂微生物矿化插层改性的蒙脱土的氢燃料电池用质子交换膜。本发明通过利用微生物腐蚀和矿化作用插层改性蒙脱土，凭借蒙脱土优异的吸湿性能，能够有效解决Nafion质子交换膜对高湿度的依赖，制备的复合膜在湿度20％RH条件下仍然具有较高的质子传导率。本发明能够极大地发挥材料本身性能，制得的复合膜不仅具有良好的吸水/保水率和较高的质子传导率，还具备很好的机械强度。本发明的制备流程简便，操作简单，能耗低、避免使用有毒试剂、适用面广。

技术领域

本发明涉及氢燃料电池用质子交换膜技术领域，尤其是涉及一种氢燃料电池用质子交换膜及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池因其高效绿色环保而成为新能源研究的热点，是实现可持续发展、降低碳排放、实现资源高效利用的重要途径。质子交换膜作为质子交换膜燃料电池的核心部件，直接决定了电池性能。其中，质子传导率是质子交换膜的关键性能指标，并由膜内含水率决定，因此提高膜的含水率或保水性能是提高质子传导率的重要途经。杜邦公司生产的全氟磺酸Nafion质子交换膜是目前研究及应用的热点，但Nafion膜在实际应用时存在一个关键问题：膜内质子依赖水分子通过“运载”机理传导，电池需要复杂的水热管理辅助装置使膜保持在高湿度环境下，导致电池实际功率密度远低于理论值。为解决此问题，提出引入亲水性的二维矿物材料构建质子传递通道、并提高膜的吸水和保水性能，由此实现质子交换膜的高质子传导性能。

蒙脱土(MMT)是二维黏土矿物的代表之一，独特的2:1型层状硅酸盐结构及其同构置换现象可以吸附水合氢离子在层间。将蒙脱土应用于质子交换膜中，其较好的吸水性可以在一定程度上的缓解全氟磺酸Nafion质子交换膜在高温低湿情况下缺水的问题。但上述蒙脱土这类黏土二维材料在与聚合物材料共混时，因界面作用容易发生团聚。因此，需对蒙脱土进行改性处理。目前蒙脱土改性常用方法是采用物理辅助化学法插层/剥离处理，然而这些方法存在能耗大、试剂毒性、环境不友好等问题。

《Chemistry of Materials(材料化学)》，Rhee等人发表了Nafion/磺化蒙脱土复合材料用于直接甲醇燃料电池，将磺酸根接枝在蒙脱土表面以增加蒙脱土与Nafion膜间的相容性。当磺化蒙脱土添加量为5wt.％，在75℃条件下，其质子传导率可达到0.17S/cm。《Journal of Membrane Science(膜科学)》，Mohammad等人发表了基于Nafion和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)改性蒙脱土(MMT)的新型质子交换膜，AMPS作偶联剂改善有机-无机界面相容性。随着AMPS-MMT含量增加，Nafion复合膜的质子传导率逐渐下降。当添加量为1wt.％时，在95％RH、80℃条件下，Nafion复合膜的质子传导率可达到0.13S/cm。然而，上述方法制备的复合膜的质子传导率均相对纯Nafion膜的质子传导率有所下降，并且即使是在湿度高达95％以上的条件下，复合膜的质子传导率不高。

在以上的制备方法中，需使用多种化学品，价格高昂，对环境不友好，因而工业化生产有待考虑，因此开发出一种简单易行，效果突出的燃料电池是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种氢燃料电池用质子交换膜及其制备方法和应用，解决现有技术中传统物理或化学法插层改性蒙脱土存在能耗高、化学试剂毒性、适用面窄且制备的氢燃料电池用质子交换膜在低湿度条件下质子传导率提升不明显的技术问题。

本发明的第一方面提供一种氢燃料电池用质子交换膜的制备方法，包括以下步骤：

制备微生物矿化插层改性的蒙脱土；

制备掺杂微生物矿化插层改性的蒙脱土的氢燃料电池用质子交换膜。

本发明的第二方面提供一种氢燃料电池用质子交换膜，该氢燃料电池用质子交换膜通过本发明第一方面提供的氢燃料电池用质子交换膜的制备方法得到。