一种氢燃料电池用质子交换膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术的制备流程简便，操作简单，能耗低、避免使用有毒试剂、适用面广。适用面广。适用面广。

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料电池用质子交换膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池用质子交换膜
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]《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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术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：
[0008]制备微生物矿化插层改性的蒙脱土；
[0009]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。
[0010]本专利技术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专利技术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。
[0011]本专利技术的第三方面提供一种氢燃料电池用质子交换膜的应用，该氢燃料电池用质子交换膜应用于氢燃料电池。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0013]本专利技术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。
[0014]本专利技术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。
[0015]本专利技术使用微生物法改性蒙脱土，仅需将蒙脱土与微生物密封静置共培养，随后将蒙脱土与Nafion膜溶液经过简单共混即可制膜，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。
附图说明
[0016]图1(a)为本专利技术实施例1中SRB与MMT培养过程的光学显微镜观察图，图1(b)为未改性MMT的SEM图，1(c)为改性MMT的SEM图；
[0017]图2为本专利技术实施例1中微生物改性前后MMT的XRD图；
[0018]图3为不同Nafion复合膜的吸湿性能结果图；
[0019]图4为湿度98％RH时不同Nafion复合膜的质子传导率曲线图；
[0020]图5为湿度20％RH时不同Nafion复合膜的质子传导率曲线图。
具体实施方式
[0021]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0022]本专利技术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：
[0023]S1、制备微生物矿化插层改性的蒙脱土；
[0024]S2、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。
[0025]本专利技术创新性的提出采用微生物法改性蒙脱土，并利用制备的改性的蒙脱土进一步制备氢燃料电池用质子交换膜。相较于传统的物理、化学法，微生物法更具环境友好性，并且微生物易于繁殖而具备价廉优势。微生物粘附于粘土矿物表面会分泌出一层具有亲水亲油两性的生物被膜来维持生物细胞的稳定及营养代谢；与此同时，维持微生物生命的呼
吸作用也会腐蚀粘土矿物质表面，由此粗糙化的表面暴露出更多含氧官能团，可用于解决蒙脱土与聚合物复合时的界面问题。同时，硫酸盐还原菌(SRB)是一种厌氧微生物，其微生物矿化作用(MICP)产生的CO
32
‑
与粘土矿物中如Ca
2+
等碱土金属离子结合产生CaCO3等沉淀物可撑大蒙脱土的层空间，有效防止团聚，增大比表面积，提供更大自由水吸附空间，且新产生的纳米通道也可传导质子，进而提高质子传导率，进一步提高燃料电池性能。
[0026]本专利技术中，制备微生物矿化插层改性的蒙脱土的步骤包括：将蒙脱土和硫酸盐还原菌在微生物培养基中培养，随后经固液分离、干燥得到微生物矿化插层改性的蒙脱土。进一步地，蒙脱土在微生物培养基中的加入量为10～30g/L，更进一步为20g/L；硫酸盐还原菌在微生物培养基中的加入量为106‑
108个/ml；上述培养过程在少氧或无氧条件下进行；微生物培养基的组成包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池用质子交换膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备微生物矿化插层改性的蒙脱土；制备掺杂所述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。2.根据权利要求1所述氢燃料电池用质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述微生物矿化插层改性的蒙脱土在氢燃料电池用质子交换膜中的掺量为0.1～5％。3.根据权利要求1所述氢燃料电池用质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述微生物矿化插层改性的蒙脱土在氢燃料电池用质子交换膜中的掺量为0.5～2％。4.根据权利要求1所述氢燃料电池用质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述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的步骤包括：将所述微生物矿化插层改性的蒙脱土分散于有机溶剂中，得到微生物矿化插层改性的蒙脱土分散液；将所述微生物矿化插层改性的蒙脱土分散液与Nafion膜溶液混合均匀并制成氢燃料电池用质子交换膜。5.根据权利要求4所述氢燃料电池用质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺。6.根据权利要求4所述氢燃料电池用质子交换膜的制备方法，其特征在于，通过共混涂布法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，且过程包括：将由所述微生物矿化插层改性的蒙脱土分散液与Nafion膜溶液混合而成的混合溶液倒在基底表面，蒸干溶剂后依次在2～4％过氧化氢溶液、去离子水、0.3～0.6％稀硫酸溶液中70～90℃热处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清亭，孟子毅，付旭东，胡圣飞，张荣，刘乐乐，史红颖，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：