一种超薄一体化层状复合膜-电极、膜、制备及其应用制造技术

本发明专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，特别涉及一种超薄一体化层状复合膜

【技术实现步骤摘要】
一种超薄一体化层状复合膜
‑
电极、膜、制备及其应用


[0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，特别涉及一种超薄一体化层状复合膜
‑
电极的制备方法及其在氢燃料电池中的应用。

技术介绍

[0002]随着全球经济和科技的高速发展，能源问题日趋严峻。传统以石油、煤炭和天然气为主的能源体系不仅不可再生，而且造成了严重的环境污染。因此，开发清洁新能源是目前能源结构调整和实现可持续发展的关键。燃料电池因具有比能量密度高、污染小、用途广、噪音低等特点，被认为是21世纪最具有潜力的高效发电技术。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的能量转化效率高、工作电流大、可实现零污染且构造简单，目前得到了广泛应用。其中，质子交换膜(PEM)是PEMFC的关键部件，其质子传导率和稳定性决定了电池的性能和寿命。目前，已开发的PEM以高分子膜为主，如商业Nafion类全氟磺酸膜，不过此类膜价格昂贵，厚度较厚(～100μm)，且质子传递通道结构比较复杂、不稳定，在高温和低湿条件下，膜内离子通道因失水会收缩甚至坍塌，导致质子传导率衰减严重，这些问题限制了高性能PEMFC技术的进一步发展与应用。近年来，二维材料的快速发展引起了人们对层状膜的关注与研究。特别地，二维层状膜因具有超薄无缺陷的膜结构、长程规整的层间通道且通道的可调控性与可设计性强等优势，逐渐成为高性能PEM研发的新平台。不过，目前大多数纳米片组装的层状膜内缺乏足够的质子载体基团，这导致膜的质子传导率一般较低；而且，由于层状膜是纳米片层层堆叠结构，质子跨膜传递路径长且曲折，膜的垂直向传导率通常比水平向低1
‑
3个数量级。因此，对层状膜的化学环境和物理结构进行调控优化，开发出一种具有高垂直向质子传导率和氢燃料电池性能的层状薄膜十分重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种超薄一体化层状复合膜
‑
电极，所述电极上的膜具有超薄的厚度，相较于自支撑的层状膜表现出更高的垂直向质子传导能力和氢燃料电池性能。
[0004]本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]一种超薄一体化层状复合膜
‑
电极的制备方法，以气体扩散电极作为膜的支撑，利用静电雾化结合直接膜沉积法，同时将用于成膜的二维纳米片分散液和质子载体分子溶液沉积于电极上形成层状复合膜，获得所述具有层状复合膜的一体化电极。
[0006]具体的，可首先制备用于成膜的二维纳米片分散液和质子载体分子溶液；然后利用双针头静电雾化技术结合直接膜沉积法，在燃料电池的气体扩散电极上直接同时雾化沉积二维纳米片和质子载体分子溶液，形成超薄层状复合膜，获得一体化层状复合膜
‑
电极。
[0007]所述电极上制备获得的层状复合膜的厚度为60
‑
550nm，更优选300
‑
400nm。
[0008]所述二维纳米片优选横向尺寸为1
‑
2μm，厚度为1.3
‑
1.6nm。具体可选择但不限于蛭石(Vr)纳米片，氧化石墨烯纳米片等。
[0009]二维纳米片分散液中的二维纳米片和质子载体分子溶液中的质子载体分子的质
量比优选为3
‑
5:1，更优选为4:1。
[0010]具体的，二维纳米片的分散液浓度优选为0.1mg/mL，分散剂为乙醇和水的体积比为4:3的混合溶液。
[0011]质子载体分子溶液的浓度优选为0.025mg/mL，分散剂为乙醇和水或N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为4:3的混合溶液。所述质子载体分子可选择但不限于功能碳点(S@N
‑
CD)、Nafion，磺化聚醚醚酮、壳聚糖等载体分子。
[0012]在双针头静电雾化装置中，两个注射器内分别为二维纳米片分散液和质子载体分子溶液。
[0013]进一步，所述用于雾化的二维纳米片和质子载体分子溶液的用量各为10～90mL，优选60
‑
90ml，特别优选60mL。
[0014]进一步，静电雾化装置的温度设置为40～50℃，蠕动泵向前推动的速度为0.003～0.006mm/s，优选前进速度为0.005mm/s；注射器沿X轴往复运动的速度为2～5mm/s，优选运动速度为3mm/s；两针头离接收基底的距离为8～12cm，优选距离为10cm；针头连接15～20kV的高压电源，优选电压为16kV；滚筒转速为90r/min。
[0015]上述超薄一体化层状复合膜
‑
电极在氢燃料电池中有很好的应用。
[0016]本专利技术利用双针头静电雾化技术结合直接膜沉积法，将纳米片分散液和质子载体分子溶液直接同时沉积在气体扩散电极上，形成了超薄层状复合膜，并同时制得一体化层状复合膜
‑
电极。膜层超薄的厚度(＜600nm)极大缩短了质子跨膜传递的路径，同时双针头静电雾化技术使纳米片和载体分子层层堆叠，其中携带丰富功能基团的分子可作为质子跨层传递的“桥梁”，加速质子的传递。因此，层状复合膜表现出优异的垂直向质子传导能力和氢燃料电池性能。如在90℃和100％RH条件下，复合膜的垂直向质子传导率达到132.5mS/cm；在75℃和100％RH条件下，一体化复合膜
‑
电极组装的氢燃料电池的最大功率密度和电流密度分别达到394.1mW/cm2和1302.2mA/cm2。相较于目前自支撑的层状膜，本专利技术以气体扩散电极作为膜层的支撑，极大降低了层状膜的厚度，减小了质子跨膜传递的阻力，因此显著提高了层状膜的垂直向质子传导能力，将其应用于氢燃料电池中，具有良好的前景。
[0017]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0018]本专利技术制备的一体化层状复合膜
‑
电极，具有超薄的膜厚度，与自支撑的层状膜相比，表现出更优异的垂直向质子传导能力和氢燃料电池性能。
附图说明
[0019]图1为实施例1制备的Vr纳米片的原子力显微镜(AFM)图像；
[0020]图2为实施例1制备S@N
‑
CD溶液在日光灯和365nm紫外光下的照片，左：日光灯下的照片；右：365nm紫外光下的照片；
[0021]图3为实施例1制备的S@N
‑
CD的透射电子显微镜(TEM)图像；
[0022]图4为实施例1制备的Vr/S@N
‑
CD
‑
60的表面扫描电子显微镜(SEM)图像；
[0023]图5为实施例1制备的Vr/S@N
‑
CD
‑
60的断面SEM图像；
[0024]图6为实施例2制备的Vr/Nafion
‑
60的表面SEM图像；
[0025]图7为实施例2制备的Vr/Nafion
‑
60的断面SEM图像；
[0026]图8为对比例1制备的Vr
‑
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超薄一体化层状复合膜
‑
电极的制备方法，其特征在于，以气体扩散电极作为膜的支撑，利用静电雾化结合直接膜沉积法，同时将用于成膜的二维纳米片分散液和质子载体分子溶液沉积于电极上形成层状复合膜，获得所述具有层状复合膜的一体化电极。2.如权利要求1所述的超薄一体化层状复合膜
‑
电极的制备方法，其特征在于，所述制备的层状复合膜的厚度为60
‑
550 nm。3.如权利要求2所述的超薄一体化层状复合膜
‑
电极的制备方法，其特征在于，二维纳米片分散液中的二维纳米片和质子载体分子溶液中的质子载体分子的质量比为3
‑
5:1。4.如权利要求1所述的超薄一体化层状复合膜
‑
电极的制备方法，其特征在于，所述二维纳米片的横向尺寸为1
‑
2 μm，厚度为1.3
‑
1.6 nm。5.如权利要求3所述的超薄一体化层状复合膜
‑
电极的制备方法，其特征在于，二维纳米片的分散液浓度为0.1 mg/mL，分散剂为乙醇和水的体积比为4:3的混合溶液；质子载体分子溶液的浓度为0.025 mg/mL，分...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴波，乔昕，刘凝，方逸尘，徐言哲，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：