[发明专利]一种用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜及其制备和应用

说明书

本发明属于燃料电池质子交换膜领域，公开了一种用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜及其制备和应用。该复合膜的制备包括以下步骤：首先采用重氮盐加成反应和原子转移自由基聚合技术在石墨烯表面接枝含有唑类基团和亲水性基团的共聚物，制备共聚物接枝石墨烯，然后将共聚物接枝石墨烯Nafion复合，得到复合膜。共聚物表面的唑类基团可与Nafion基体中的磺酸基团在Nafion‑石墨烯界面处形成的高效连续子传递通道，亲水基团可增加Nafion膜的保水性能，具有二维层状结构的石墨烯可阻挡甲醇分子的扩散，因此可解决Nafion质子交换膜的高温低湿条件下质子传导率下降和甲醇燃料渗透高的共性关键科学问题。

技术领域

本发明属于燃料电池质子交换膜领域，特别涉及一种用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜及其制备和应用。

背景技术

燃料电池作为一种新型发电装置，具有高效率和零污染、零排放等突出特点，在能源领域发挥着越来越重要的作用，促进能源走向低碳化、清洁化，是解决能源问题最有效和最具发展前景的领域。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有比功率高、启动快、构造简单等优点被认为是最有希望的下一代清洁能源，成为新能源研究的热点。质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心部件，直接决定着PEMFC的能量转化效率和使用寿命，其中，质子传导性能和阻醇性能是其两个关键性能指标。目前研究和应用最多是以Nafion为代表的全氟磺酸膜，但Nafion膜在实际应用时存在两个关键科学问题：一是Nafion膜对水含量依赖较大，在高温、低湿的条件下失水严重，质子传导率会因磺酸基团与水分子通过动态氢键形成的离子簇网络质子传递通道坍塌而显著下降；二是Nafion膜用于直接甲醇燃料电池(DMFC)中时，燃料甲醇渗透严重，甲醇分子容易随水分子一起通过离子簇网络，穿透到阴极，不仅造成燃料浪费，还会干扰阴极正常反应，导致DMFC效率显著下降。因此，开发高质子传导率和低甲醇燃料渗透率的PEM对PEMFC的规模化应用具有重要的意义。

通过对无机材料进行表面接枝含有质子传导基团的聚合物与Nafion，已成为构筑高效传递通道的新途径，但目前以石墨烯为填充材料进行表面接枝含质子传导基团的聚合物来强化Nafion膜的质子传导和阻醇性能的研究仍未见报道。更没有研究通过重氮盐加成反应和原子转移自由基聚合反应将唑类基团和亲水基团基团引入石墨烯表面，与Nafion复合制备Nafion复合膜。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜。

本发明再一目的在于提供上述用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)还原氧化石墨烯得到石墨烯，然后通过重氮盐加成反应将原子转移自由基聚合反应(ATRP)引发剂接枝到石墨烯表面，得到ATRP引发剂接枝改性石墨烯；

(2)通过ATRP反应将唑类基团和亲水基团接枝聚合到石墨烯表面，得到含唑类基团和亲水基团的共聚物接枝石墨烯；

(3)将含唑类基团和亲水基团的共聚物接枝石墨烯的分散液与Nafion溶液混合均匀，采用溶液浇铸法制备用于高温低湿质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜。

步骤(1)中所述的通过重氮盐加成反应将原子转移自由基聚合反应(ATRP)引发剂接枝到石墨烯表面的方法是：将还原得到的石墨烯分散于水中，再加入4-氨基苯乙醇和亚硝酸异戊酯进行反应，得到羟基改性石墨烯；然后将羟基改性石墨烯与原子转移自由基聚合反应(ATRP)引发剂在氮气气氛以及催化剂作用下反应，得到ATRP引发剂接枝改性石墨烯。