[發明專利]一種阻醇質子導電復合膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201310254252.2
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103367773A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 王宇新;劉征;安德
• 申請（專利權）人: 天津大學;公安部天津消防研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;B32B27/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 琪琛

技術領域

本發明涉及離子導電聚合物膜技術領域，具體的說，是涉及一種石墨烯層（Graphene,G）與聚合物電解質結合的復合質子導電膜及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種直接將物質的化學能轉變為電能的發電裝置。相對于內燃機而言，燃料電池不受卡諾循環的限制，因此物質化學能利用效率可以達到很高的水平。相對于蓄電池而言，燃料電池是進行能量轉換而非能量儲存的裝置，只要連續不斷地補充燃料，它就能持續地發電，具有無需充電的優點。另外，燃料電池還具有高能量密度和高功率密度等特點，而且工作過程產生的污染也較內燃機和蓄電池少。

質子交換膜燃料電池是一類重要的燃料電池。現有聚合物質子導電膜用于燃料電池時存在燃料透過問題，燃料從陽極經聚合物質子導電膜到達陰極，一方面造成了浪費的燃料，另一方面由于燃料傳遞到陰極后，在陰極催化劑的作用下發生反應，造成陰極電位降低，使得電池輸出電壓降低，最終降低了電池的性能。

由于燃料和質子是經同一通道從陽極向陰極傳遞，所以盡管人們提出了許多改變膜內傳遞通道結構的方法來降低燃料的透過，但這些方法在阻礙燃料透過的同時，也阻礙了質子的透過，降低了膜的質子電導率。

基于上述原因，人們提出在聚合物質子導電膜中間夾一層薄膜的方法——在不改變膜內質子通道的情況下，利用夾層薄膜自身的孔隙來截留燃料分子并透過質子。在目前已知的含薄膜夾層的聚合物質子導電膜中，使用鈀箔做夾層的聚合物質子導電膜的阻止燃料透過效果最好，但是這種情況下質子經鈀箔傳遞的阻力很大，不利于膜的質子導電，而且由于鈀屬于貴金屬，同時由于其制備過程使用真空離子濺射，使得該方法較復雜，成本較高，導致難以推廣應用。

發明內容

本發明要解決的是聚合物質子導電膜在阻礙燃料透過的同時，也阻礙了質子的透過，從而降低了膜的質子電導率的技術問題，提供一種阻醇質子導電復合膜，該復合膜可以在不影響膜質子導電率的情況下阻止燃料的透過；并且提供了該阻醇質子導電復合膜的四種制備方法，制備過程簡便，易于推廣。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種阻醇質子導電復合膜，包括聚合物質子導電膜，所述聚合物質子導電膜平行復合有石墨烯層，所述石墨烯層附著于所述聚合物質子導電膜的一側或夾于兩層聚合物質子導電膜之間。

所述聚合物質子導電膜選用全氟磺酸聚合物、磺化聚芳醚酮、磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化雜萘聯苯聚醚酮、磺化聚磷腈、磺化聚酰胺、聚苯并咪唑、季銨化聚醚砜酮或季銨化聚醚砜中的一種制成。

所述石墨烯層整體面積中大于等于95%的面積為單層石墨烯。

所述石墨烯層為化學氣相沉積石墨烯層、外延生長石墨烯層、機械剝離石墨烯層或化學還原石墨烯層。

石墨烯可看做是一張原子厚度的網，石墨烯的六元環孔徑大小介于質子和燃料分子之間，所以可以將石墨烯層附著于聚合物質子導電膜一側或夾在兩層聚合物質子導電膜之間，使其截留燃料分子而透過質子。

第一種阻醇質子導電復合膜的制備方法，該方法按照以下步驟進行：

（1）取銅基化學氣相沉積石墨烯，鋪平，在其具有石墨烯層的表面上滴加5wt%～10wt%的膜溶液，在60～120℃下揮發溶劑8-12h成聚合物質子導電膜；

（2）將步驟（1）所得到的有聚合物質子導電膜的銅基化學氣相沉積石墨烯在濃度0.1～2.5M的Fe³⁺溶液中浸泡1～14天，待銅基完全刻蝕掉后，洗滌，干燥，得到石墨烯層附著于聚合物質子導電膜一側的阻醇質子導電復合膜。

其中，所述膜溶液的溶劑為二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亞砜或四氫呋喃中的一種。

第二種阻醇質子導電復合膜的制備方法，該方法按照以下步驟進行：

（1）將聚合物質子導電膜平鋪固定在旋轉涂膜機的底盤上，以500rpm～3000rpm的轉速旋轉；

（2）取2mL～20mL濃度為1μg/mL～10μg/mL的石墨烯水分散液，以0.5mL/min～1mL/min的速度均勻噴涂到旋轉的所述聚合物質子導電膜表面；

（3）干燥，得到石墨烯層附著于聚合物質子導電膜一側的阻醇質子導電復合膜。

第三種阻醇質子導電復合膜的制備方法，該方法按照以下步驟進行：

（1）將聚合物質子導電膜平鋪固定在旋轉涂膜機的底盤上，以500rpm～3000rpm的轉速旋轉；