[發明專利]質子交換膜及其制備方法和燃料電池

在審

• 申請號: 202010841825.1
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN112038674A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 唐稚陽;陳曉;劉智亮
• 申請（專利權）人: 珠海格力電器股份有限公司
• 主分類號: H01M8/1016
• 分類號: H01M8/1016;H01M8/1067;H01M8/1069;H01M8/0213;H01M8/0223
• 代理公司: 北京煦潤律師事務所 11522
• 代理人: 朱櫟;梁永芳

本申請提供一種質子交換膜及其制備方法和燃料電池。該質子交換膜包括本體，起到傳遞質子和阻隔氣體的作用；氧化石墨烯薄片，與所述本體并排設置，且所述氧化石墨烯薄片的一側連接在所述本體的側面上。在本體的側面上設置氧化石墨烯薄片，使得PEM具有很好的氧化還原功能，這使得氧化石墨烯的表面更容易產生氧并和質子生成水，從而進一步提高PEM的自增濕性能；氧化石墨烯薄片能大幅降低PEM的內阻，加速膜的水反擴散系數，加快質子傳導速率。

技術領域

本申請屬于質子交換膜燃料電池技術領域，具體涉及一種質子交換膜及其制備方法和燃料電池。

背景技術

隨著化石燃料的日趨枯竭以及化石燃料燃燒所引起的環境危機日益嚴峻，新能源的開發引起了越來越多的關注。石油燃料的使用對環境造成了嚴重的污染，開發新型零污染能源越來越受到人們的關注。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane FuelCell，PEMFC)是一種無燃料燃燒過程的環保能量轉換裝置，因其具有零排放、低噪音且能量轉換率高、能量密度大和可在低溫啟動等優點而備受青睞，被認為是能源的終極模式。

質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)是燃料電池電化學反應的核心通道，發揮著傳遞質子和阻隔反應氣體的作用。優良的PEM應具有：高的質子傳導率，低的氣體滲透率，良好的熱穩定性，足夠的機械強度，化學穩定性以及適當的性價比。目前，市場上通用的PEM是美國杜邦公司生產的電聚合物膜，以及加拿大Gore公司生產的復合膜。這兩種膜都存在無法自增濕以及保水能力不足的問題，尤其是在高溫環境中。而氫離子或質子在PEM中的傳遞率與膜的含水量成線性關系。而且整個質子交換膜的均勻水化可以防止膜局部失水和局部受熱，可避免由于膜局部失水和局部發熱造成的電池性能下降和膜材料降解。也就是說，PEMFC的電池性能很大程度上是取決于PEM中的水含量。

目前，PEMFC的加濕方式主要包括外增濕和內增濕兩種方式。外增濕是利用氣體加濕器給即將進入電池的氣體進行加濕，該方法可以實現對PEM的有效加濕，但也使得電池系統的結構變得更加復雜，增加了耗能，降低了燃料電池的凈輸出功率。內增濕主要是利用燃料電池在運行過程中發生電化學反應過程所生成的水對PEM進行加濕。這種內增濕方式不需要借助外部設備就能維持電池的正常工作。

有技術報道了將具有保濕功能的無機親水性材料涂覆在擴散層的一側，使擴散層一面形成恒濕層，然后將催化劑涂覆到恒濕層上，然后將其熱壓至PEM 的兩側，該結構雖然提高了PEM的保水性能，但由于無機親水材料的質子傳導率較差，增加了膜電極的內阻，其次，保水層可能會阻礙氣體擴散進入催化層，從而降低電池的電性能，最后，在PEM表面制備均勻無機親水材料也存在較大的困難。

發明內容

因此，本申請要解決的技術問題在于提供一種質子交換膜及其制備方法和燃料電池，能夠提高傳導率。

為了解決上述問題，本申請提供一種質子交換膜，包括：

本體，起到傳遞質子和阻隔氣體的作用；

氧化石墨烯薄片，與所述本體并排設置，且所述氧化石墨烯薄片的一側連接在所述本體的側面上。

優選地，所述本體內包括有均勻分布的催化劑活性成分，所述催化劑活性成分包括鉑、金、鈀或銀中的至少一種。

優選地，所述本體包括高分子多孔膜，所述催化劑活性成分均勻分散在所述高分子多孔膜內；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、聚丙烯中的至少一種。

優選地，所述質子交換膜還包括有無機納米粒子層，所述無機納米粒子層設在所述氧化石墨烯薄片的另一側上。

優選地，所述無機納米粒子層的材質包括納米級SiO₂、納米級TiO₂、納米級Zr(HPO₄)₂和納米級ZrO₂中至少一種。