CN110098427A - 燃料电池的质子交换膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的质子交换膜及其制备方法，涉及能源技术领域。本发明的质子交换膜上镀覆金元素与其他金属元素(钯，镍，钌，铜等)形成的合金纳米颗粒；该合金纳米颗粒为单分子层且与质子交换膜紧密接触。合金纳米颗粒包括金‑钯合金、金‑镍合金、金‑钌合金或金‑铜合金纳米颗粒；纳米颗粒直径为1.5‑3纳米。合金纳米颗粒以单分子层形式紧密沉积于质子交换膜上是采用LB膜分析仪实现。本发明通过一种简洁有效的镀膜技术(LB膜分析仪)实现质子交换膜表面单分子层纳米颗粒的表面修饰，从而提升膜电极组件的催化效率和使用寿命，解决当前传统膜电极制备技术所面临的挑战；该技术方案操作简单，效果显著，绿色环保。

Description

燃料电池的质子交换膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种燃料电池的质子交换膜及其制备方法。
背景技术
燃料电池是一项高效的绿色发电技术，直接将化学能转化为电能。与传统发电方式相比，燃料电池不受卡诺循环限制，因此能量转换效率高，同时具备零排放、无污染、噪声低、便携性高等优点。燃料电池的主要应用领域包括交通运输、固定发电站和便携式电源等。作为当前燃料电池市场主要应用类型之一，质子交换膜燃料电池在燃料电池出货量中占领主要地位，2017年出货量比例达到62.7％。
膜电极组件作为质子交换膜燃料电池的核心部件，由阳极、质子交换膜与阴极结合成三明治结构。阳极和阴极在通入燃料(氢气)和氧化剂(纯氧或空气)后分别发生不同的半反应。阳极上的氢气通过反应失去电子，同时生成质子。质子通过质子交换膜迁移到阴极，而电子则通过外部电路转移，形成电流。转移到阴极的质子、电子与通入阴极的氧气发生反应，生成水。上述的两个半反应在常温下均无法自发进行，都需要催化剂的加入。尤其是阴极上的氧还原反应速率，已成为限制质子交换膜燃料电池性能的关键因素。
为了解决上述技术问题，一般使用贵金属铂(Pt)纳米颗粒作为催化剂，负载在高比表面碳粉上，形成催化层(Pt/C)，来加速反应的进行。目前，传统膜电极技术面临的挑战是：(1)商用铂催化剂的催化效率依旧不高，需要高催化剂负载量或者增加单电池数量，导致燃料电池/电堆成本过高，难以普及；(2)商用铂催化剂在使用过程中，表面活性位点易被某些特定分子(比如一氧化碳分子)取代导致失效，因此，铂催化剂对于燃料氢气的纯度要求极高(>99.99％)，变相增加了成本。另外，即便使用高纯氢气，由于反应过程中的副产物也含有一氧化碳，所以整体使用寿命仍然偏低，达不到大规模商业化的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种燃料电池的质子交换膜及其制备方法，主要目的是通过化学修饰质子交换膜以降低膜电极反应副产物对催化层的毒化作用，进而提高燃料电池的性能和使用寿命。
为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池的质子交换膜，所述质子交换膜上镀覆合金纳米颗粒，所述合金纳米颗粒由金元素与其他金属元素形成，所述其他金属元素包括钯、镍、钌及铜金属元素；所述合金纳米颗粒为单分子层的纳米颗粒，所述合金纳米颗粒与所述质子交换膜紧密接触。
作为优选，所述合金纳米颗粒包括金-钯合金纳米颗粒、金-镍合金纳米颗粒、金-钌合金纳米颗粒或金-铜合金纳米颗粒；所述纳米颗粒的直径为1.5-3纳米。
作为优选，所述合金纳米颗粒以单分子层的形式紧密沉积于所述质子交换膜上是采用LB膜分析仪实现。
另一方面，本发明实施例提供了上述燃料电池的质子交换膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)采用水-甲苯两相法制备金-钯合金纳米颗粒；
(2)将所述金-钯合金纳米颗粒溶于甲苯中，配成镀膜溶液；
(3)采用LB膜分析仪将所述镀膜溶液以单分子层形式镀覆于质子交换膜上，形成表面紧密沉积有金-钯合金纳米颗粒的质子交换膜。
作为优选，所述步骤(1)的具体过程：将氯金酸和氯钯酸溶于水中，再与四辛基溴化铵的甲苯溶液混合；保持搅拌的同时加入1-十二烷基硫醇和溴化钠；收集有机相溶液并放入冰箱冷置8小时以上，用离心机收集固体产物并用乙醇清洗多次，最后置于真空干燥箱中干燥，得到所述金-钯合金纳米颗粒。
作为优选，所述步骤(3)的具体过程：所述LB膜分析仪通过对液表面压的监测与分析，准确找出单分子层的形成节点；通过预先设置的相关参数，机械臂将自动拉升质子交换膜，实现膜上单分子层纳米催化剂的沉积。
作为优选，所述LB膜分析仪的具体操作过程：向所述LB膜分析仪的水槽中装满水，用机械臂上的夹子夹住质子交换膜，并降至大部分膜没入槽中浸渍井内；用针筒吸取定量的镀膜溶液，均匀滴在LB分析仪的水槽中，静置片刻以让溶剂完全挥发；开始缓慢移动滑障，并记录液表面压变化；当液表面压达到预设值时，机械臂开始拉升浸入水中的质子交换膜，直至镀膜完成。
再一方面，本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池的制备方法，包括制备膜电极组件，所述膜电极组件制备方法包括：采用热压法将铂-铜-镍三相合金催化剂的气体扩散电极与上述紧密沉积有单分子层的金-钯纳米颗粒的质子交换膜以三明治结构压制成一体，形成膜电极组件。
又一方面，本发明实施例提供了一种膜电极组件，包括质子交换膜，所述质子交换膜为上述质子交换膜。
又一方面，本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池，包括膜电极组件，所述膜电极组件为上述膜电极组件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过研究发现当单分子层金/钯合金(或与其他金属的合金)纳米颗粒(直径1.5-3纳米)与质子交换膜紧密接触时，可有效地降低膜电极反应副产物对催化层的毒化作用(即将一氧化碳氧化为无毒性的二氧化碳)，从而提高燃料电池的性能和使用寿命。
本发明通过一种简洁有效的镀膜技术(LB膜分析仪)实现质子交换膜表面单分子层纳米颗粒的表面修饰，从而提升膜电极组件的催化效率和使用寿命，解决当前传统膜电极制备技术所面临的挑战；该技术方案操作简单，效果显著，绿色环保。
附图说明
图1A是本发明实施例提供的金-钯合金纳米颗粒的形貌电镜图；
图1B是本发明实施例提供的金-钯合金纳米颗粒在质子交换膜上沉积的示意图；
图2是本发明实施例提供的LB分析仪测得的金-钯纳米颗粒的液面积-液面压曲线图；
图3是本发明实施例提供的应用金-钯纳米颗粒沉积的质子交换膜与普通质子交换膜的燃料电池电流密度-电压曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1(制备金-钯合金纳米颗粒)
通过两相法(水-甲苯)制备金-钯合金纳米颗粒。将一定量的氯金酸和氯钯酸溶于水中，与事先配好的四辛基溴化铵的甲苯溶液混合。保持搅拌的同时加入1-十二烷基硫醇和溴化钠。收集有机相溶液并放入冰箱冷置8小时以上，用离心机收集产物并用乙醇清洗多次。最后置于真空干燥箱中干燥，得到金-钯合金纳米颗粒，其形貌如图1A所示。
实施例2(修饰质子交换膜)
(1)将实施例1制备的金-钯合金纳米颗粒溶于甲苯中，配成一定浓度的溶液；
(2)LB膜分析仪水槽中装满水，用机械臂上的夹子夹住质子交换膜，并降至大部分膜没入槽中浸渍井内；
(3)用针筒吸取定量的纳米颗粒溶液，均匀滴在LB分析仪水槽中，静置片刻以让溶剂完全挥发；
(4)开始缓慢移动滑障，并记录液表面压变化；
(5)当液表面压达到预设值时，机械臂开始拉升浸入水中的质子交换膜，直至镀膜完成，如图1B和图2所示。
本发明实施例2制备的燃料电池的质子交换膜上镀覆金元素与其他金属(如钯，镍，钌，铜等元素形成的合金纳米颗粒；例如，金-钯合金纳米颗粒、金-镍合金纳米颗粒、金-钌合金纳米颗粒或金-铜合金纳米颗粒；上述纳米颗粒的直径为1.5-3纳米；上述合金纳米颗粒必须为单分子层的纳米颗粒，上述合金纳米颗粒必须与上述质子交换膜紧密接触。
本实施例2采用的LB膜分析仪原理及操作程序为现有技术。
实施例3(制备膜电极组件)
用热压方法将负载铂-铜-镍三相合金催化剂的气体扩散电极与实施例2制备的金-钯纳米颗粒沉积的质子交换膜以三明治结构压制成一体，完成膜电极组件的制备。
对比例1(催化剂未进行表面处理)
本对比例1的质子交换膜为市面常见的普通质子交换膜，即其未沉积合金纳米颗粒。
根据本发明实施例3制备的膜电极组件，可以制备出质子交换膜燃料电池或燃料电池堆。
将由本发明质子交换膜制备的燃料电池与由对比例1质子交换膜制备的燃料电池的电流密度和电压进行对比，结果如图3所示。采用金-钯合金纳米颗粒修饰质子交换膜的燃料电池性能比采用无修饰质子交换膜的燃料电池提升约15％。
本发明采用上述质子交换膜表面修饰技术制备的膜电极组件技术应用范围广，可根据不同需求为客户解决提高功率，延长使用寿命，降低氢燃料成本等问题。首先，此项技术可以应用于所有质子交换膜电池应用领域，包括交通运输领域、固定式和便携式；其次，在功率方面，将比同类产品提高15％的输出功率；在耐久性方面，可以达到30000次充放电循环后，无明显性能损失，极大延长使用寿命；最后，该技术方案提供了使用转化气(reforming gas,H2+CO)替代纯氢作为燃料的可能性，能显著降低燃料成本。
本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。
以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.燃料电池的质子交换膜，其特征在于，所述质子交换膜上镀覆合金纳米颗粒，所述合金纳米颗粒由金元素与其他金属元素形成，所述其他金属元素包括钯、镍、钌及铜金属元素；所述合金纳米颗粒为单分子层的纳米颗粒，所述合金纳米颗粒与所述质子交换膜紧密接触。
2.如权利要求1所述的燃料电池的质子交换膜，其特征在于，所述合金纳米颗粒包括金-钯合金纳米颗粒、金-镍合金纳米颗粒、金-钌合金纳米颗粒或金-铜合金纳米颗粒；所述纳米颗粒的直径为1.5-3纳米。
3.如权利要求1所述的燃料电池的质子交换膜，其特征在于，所述合金纳米颗粒以单分子层的形式紧密沉积于所述质子交换膜上是采用LB膜分析仪实现。
4.权利要求2所述的燃料电池的质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)采用水-甲苯两相法制备金-钯合金纳米颗粒；
(2)将所述金-钯合金纳米颗粒溶于甲苯中，配成镀膜溶液；
(3)采用LB膜分析仪将所述镀膜溶液以单分子层形式镀覆于质子交换膜上，形成表面紧密沉积有金-钯合金纳米颗粒的质子交换膜。
5.权利要求4所述的燃料电池的质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体过程：将氯金酸和氯钯酸溶于水中，再与四辛基溴化铵的甲苯溶液混合；保持搅拌的同时加入1-十二烷基硫醇和溴化钠；收集有机相溶液并放入冰箱冷置8小时以上，用离心机收集固体产物并用乙醇清洗多次，最后置于真空干燥箱中干燥，得到所述金-钯合金纳米颗粒。
6.权利要求4所述的燃料电池的质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体过程：所述LB膜分析仪通过对液表面压的监测与分析，准确找出单分子层的形成节点；通过预先设置的相关参数，机械臂将自动拉升质子交换膜，实现膜上单分子层纳米催化剂的沉积。
7.权利要求6所述的燃料电池的质子交换膜的制备方法，其特征在于，所述LB膜分析仪的具体操作过程：向所述LB膜分析仪的水槽中装满水，用机械臂上的夹子夹住质子交换膜，并降至大部分膜没入槽中浸渍井内；用针筒吸取定量的镀膜溶液，均匀滴在LB分析仪的水槽中，静置片刻以让溶剂完全挥发；开始缓慢移动滑障，并记录液表面压变化；当液表面压达到预设值时，机械臂开始拉升浸入水中的质子交换膜，直至镀膜完成。
8.质子交换膜燃料电池的制备方法，包括制备膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件制备方法包括：采用热压法将铂-铜-镍三相合金催化剂的气体扩散电极与权利要求1-7任一项所述的紧密沉积有单分子层的金-钯纳米颗粒的质子交换膜以三明治结构压制成一体，形成膜电极组件。
9.膜电极组件，包括质子交换膜，其特征在于，所述质子交换膜为权利要求1-7任一项所述的质子交换膜。
10.质子交换膜燃料电池，包括膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件为权利要求9所述的膜电极组件。
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