[发明专利]一种Pd-Nafion复合膜的阻醇改性制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接甲醇燃料电池Nafion膜的Pd改性处理方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）是质子交换膜燃料电池的一种。与以氢为燃料的质子交换膜燃料电池相比，DMFC 所采用的燃料为甲醇水溶液，燃料的储存、运输十分方便，因此DMFC具有燃料来源丰富、便于携带、结构简单等特点。甲醇的理论能量密度数倍于现有的二次电池，因此DMFC更适用于小型/便携式设备的供电，如通讯、电子设备等，其应用前景十分广阔。当前DMFC普遍采用杜邦公司生产的全氟磺酸Nafion膜作为质子交换膜，虽然Nafion膜具有很高的质子传导率和使用稳定性，但是阳极的甲醇溶液会透过Nafion膜扩散到阴极，造成甲醇渗透。甲醇渗透一方面降低燃料利用率，另一方面，渗透的甲醇会在阴极氧化造成混合电位，降低 DMFC 电池输出电压，导致电池放电性能下降。另外，甲醇的渗透造成的环境影响也大大制约了 DMFC 的商业化；现有Nafion 膜的改性及非氟聚合物电解质膜研究是解决该难题的途径。

Nafion膜的结构可以用反胶束离子簇模型来描述，其骨架是类似聚四氟乙烯的氟碳主链，形成一定的晶相疏水区；溶剂（水）与有亲水磺酸根的侧链形成一相，从而形成水核反胶束离子簇。在有足够水存在的情况下，磺酸基团会充分水合形成相互连接的离子簇网络，从而构成了质子的传输通道，使Nafion膜具有高的质子电导率。甲醇分子小、极性强，与水有着相当大的亲和力，伴随着电场下水分子由阳极向阴极的传递，甲醇的渗透也就同时发生了。理论表明，金属钯Pd具有很好的质子传导率，但是甲醇却不能透过，因此Pd经常被用来对Nafion膜进行改性处理来降低甲醇渗透。其中，浸渍还原法，即将Nafion膜浸泡在含有Pd²⁺的溶液中然后再还原成Pd原子，可以在Nafion膜内形成尺寸小于30nm的Pd粒子。在不显著降低质子传导率的前提下，这种Pd-Nafion复合膜可以大大的降低甲醇渗透，特别是是在甲醇浓度很高的时候。

发明内容

本发明的目的是提供一种Pd-Nafion复合膜的阻醇改性制备方法，采用浸渍还原处理方法，进一步降低Nafion膜的甲醇渗透，提高了质子传导率，从而提高了DMFC的性能 

本发明的上述目的是通过如下方案实现的：将经过前处理的Nafion膜浸泡于含有0.002～0.1 mol/L Pd离子的溶液中，浸泡温度固定为20～80℃，同时在Nafion膜的两侧施加不同的电压信号，对于直流电场，施加电压的幅值为0.5～5V；对于脉冲、方波以及正弦信号，电压幅值为0.1～5V，占空比为5～50%，频率为10²～10⁸ Hz，维持浸泡时间为30～120min；将浸渍完的Nafion膜取出，在含有还原剂的溶液中浸泡还原，维持还原温度为40～80℃，使得Pd离子还原成Pd原子；最后将Pd-Nafion复合膜置于硫酸溶液中，使其转变为H⁺形态。

本发明的特点在于通过在 Nafion膜两侧施加电场来加快Pd离子向Nafion膜的迁移，从而使得还原后的Nafion膜内能够形成更多的Pd粒子，达到降低Nafion膜甲醇渗透的目的。本发明所述方法具有操作方便快捷、易于控制的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中：1、端板；2、铂片；3、储液腔；4、Nafion膜；

图2是甲醇溶液浓度为8M时甲醇渗透的线性扫描伏安测试结果。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式按照如下方法对直接甲醇燃料电池Nafion膜进行Pd改性处理：

一、首先对Nafion膜进行前处理，去除其表面的杂质：在80℃下将Nafion膜按顺序分别在体积比浓度为3～5%的双氧水、超纯水、0.5M的硫酸、超纯水中煮1～2小时，取出备用。