[发明专利]应用于燃料电池中的聚合物电解质复合膜及其制备方法

说明书

本发明公开一种应用于燃料电池中的聚合物电解质复合膜及其制备方法，包括原材料如下：六方氮化硼0.025g‑0.5g、偶联剂、N，N‑二甲基甲酰胺、磺化聚醚酮9.5g‑9.975g。本发明采用氧化工艺对hBN进行氧化处理来提高hBN与聚合物基体之间的界面相容性，同时通过增加hBN片之间的晶面距离来增大hBN与聚合物基体之间的相互作用面积；采用氧化工艺对hBN氧化后，再使用硅烷偶联剂对hBN进行表面功能化，使得改性hBN与聚合物基体之间的相互作用增强；此外，还可以提高改性hBN粒子的分散性，从而改善复合材料的热性能和机械性能，同时，证明了功能化hBN基聚合物电解质膜可直接用于甲醇燃料电池。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种应用于燃料电池中的聚合物电解质复合膜及其制备方法。

背景技术

氮化硼，也称为“白色石墨烯”，是质子交换膜中极具潜力的填料。由于现在人们对清洁能源的需求，聚合物电解质膜作为电解质在燃料电池中的应用备受关注。但是，尽管它具有上述吸引人的特性，但完全实现商业化还需要考虑很多因素。

燃料电池具有高能量密度、安全、无污染等优点，是解决能源危机的重要手段。但是，目前燃料电池的高成本、低效率以及耐用性差仍是阻碍其商业化的主要因素。电解质材料是燃料电池中的关键组成部分，电解质材料有助于离子在阴极和阳极之间的传输。改善燃料电池中电解质材料的性能是实现燃料电池商业化的挑战之一。质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）利用聚合物膜作为电解质。聚合物电解质膜可以实现质子的交换，但同时需要避免DMFC中的甲醇透过聚合物电解质膜发生交换。全氟磺酸虽然具有与短链全氟醚的侧链和疏水性聚四氟乙烯（PTFE）结合的亲水磺酸基团，但全氟磺酸在高温下性能会降低，而且价格昂贵。因此，急需开发一种低成本的质子交换，能够使燃料电池实现商业化。

胡等人（Hu， S. et al. Nature 516，227–230 (2014)）发现，六方氮化硼是质子的优良导体，他们证实了单层六方氮化硼（hBN）具有最高的室温质子传导性，并且在更高的温度下hBN的性能比石墨烯表现更优异，在另一项研究中，与石墨烯相比，随温度升高hBN的Arrhenius型指数图表现出快速的增长，Nafion（全氟磺酸）存在很多缺点，以上发现可能是改善燃料电池性能的重要发现，且可能代替诸如全氟化膜等交换膜材。

hBN是由硼和氮通过共价键结合形成的异构化结构，这种结构使hBN可以有更复杂的应用。hBN中的宽带隙使其成为一种固有的电绝缘材料，表现出出色的机械性能、热性能，而且可以作为聚合物复合材料的填料使用，理想的聚合物电解质膜应是良好的质子导体，同时具有优良的电绝缘性能，hBN作为燃料电池用复合膜填料，目前仍处于起步阶段，只有少量关于hBN在聚合物复合材料中应用的研究。

hBN嵌入聚合物基体时，可提高聚合物的热性能和机械强度，hBN的高表面积使其成为有机污染物以及染料等的良好吸附材料，沉积有银纳米颗粒的氮化硼具有高导热性，是聚合物复合材料的有效填料；由于BN纳米片和银纳米颗粒之间的桥接作用，使得BNNSs/AgNPs /环氧树脂复合材料的热导率比BNNSs/环氧树脂复合材料的热导率提高了两倍。