本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體的涉及一種高阻醇性能的新型燃料電池。
背景技術(shù)：
：
燃料電池是一種將氫燃料和氧化劑之間的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能"儲電"而是一個"發(fā)電廠"，被譽(yù)為是一種繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)，也正在美、日等發(fā)達(dá)國家崛起，以急起直追的勢頭快步進(jìn)入能以工業(yè)規(guī)模發(fā)電的行列。燃料電池具有高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫快速啟動、低熱輻射和低排放、運(yùn)行噪聲低和適應(yīng)不同功率要求，具有非常好的前景。
在這些燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)工作溫度是最低的，也是目前發(fā)展規(guī)模最大的一種。根據(jù)燃料電池領(lǐng)域的權(quán)威統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)Fuel Cell Today的統(tǒng)計(jì)，2005—2010年，單是小型電源領(lǐng)域，全世界已經(jīng)有超過15萬套燃料電池交付使用，總功率超過了15MW，其中96％是質(zhì)子交換膜燃料電池。在交通領(lǐng)域中，質(zhì)子交換膜燃料電池因最有希望成為未來電動汽車的發(fā)動機(jī)而受到廣泛關(guān)注，全球幾乎主要的汽車生產(chǎn)商都在致力于燃料電池汽車的開發(fā)。質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化還面臨成本和壽命兩大問題，積極開發(fā)新材料是解決這兩大問題的必經(jīng)之路，也是目前質(zhì)子交換膜燃料電池研究的熱點(diǎn)。質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換燃料電池的核心組件，它在燃料電池中所起的作用是雙重的：作為電解質(zhì)提供氫離子通道，作為隔膜隔離兩極反應(yīng)氣體。質(zhì)子交換膜是燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵，其性能的優(yōu)劣直接影響著燃料電池的工作性能、成本和應(yīng)用前景，但是目前常用的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜，其化學(xué)穩(wěn)定性好，質(zhì)子電導(dǎo)率大，但是其離子電導(dǎo)強(qiáng)烈地依賴于水含量，在水含量較低或溫度較高時(shí)，電導(dǎo)率明顯下降。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：
本發(fā)明的目的是提供一種高阻醇性能的新型燃料電池，其燃料利用率高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，穩(wěn)定性好。
本發(fā)明的另一個目的是提供該新型燃料電池的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種高阻醇性能的新型燃料電池，包括陽極擴(kuò)散層、陽極微孔層、陽極催化層，質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極微孔層、陰極氣體擴(kuò)散層，所述質(zhì)子交換膜中摻雜有改性埃洛石納米管，所述改性埃洛石納米管先用多巴胺鹽酸鹽對埃洛石納米管進(jìn)行表面包覆處理，然后引入活性鹵素原子，再通過ATRP反應(yīng)將帶有磺酸基團(tuán)的單體接枝聚合到埃洛石納米管上制得；所述陰極催化層中的催化劑是以鈀和鉑為活性組分，以碳納米管為載體，活性組分的載量為0.5-3.5mg/cm2，鈀和鉑的質(zhì)量比為(1-2)：1。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述帶有磺酸基團(tuán)的單體為苯乙烯磺酸鈉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸鈉中的一種。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述改性埃洛石納米管的制備方法為：
a)在Tris-鹽酸緩沖液中加入埃洛石納米管、多巴胺鹽酸鹽混合，500-1000W下超聲30-50min，然后磁力攪拌反應(yīng)10-24h，清洗，干燥得到多巴胺鹽酸鹽改性的埃洛石納米管；
b)在惰性氣體的保護(hù)下加入四氫呋喃、三乙胺、多巴胺改性的埃洛石納米管和α-溴代酯，攪拌混合5-20h，清洗干燥后得到活性溴原子改性的埃洛石納米管；
c)在惰性氣體保護(hù)下，將N-N-二甲基甲酰胺、帶有磺酸基團(tuán)的單體、五甲基二亞乙基三胺、溴化亞銅、去離子水和步驟b)制得的活性溴原子改性的埃洛石納米管混合攪拌10-80h，清洗干燥后得到所述改性埃洛石納米管。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟a)中，多巴胺鹽酸鹽在反應(yīng)體系中的濃度為10-20mmg/L。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟c)中，所述帶有磺酸基團(tuán)的單體、溴化亞銅、五甲基二亞乙基三胺的摩爾比為(30-50)：(3-6)：(1-3)。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟b)中，所述α-溴代酯相對于多巴胺改性的埃洛石納米管D-HNTs的加入量為15-30mmol/(gD-HNTs)。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟b)中，所述四氫呋喃與三乙胺的體積比為(10-30)：1。
一種高阻隔性能的新型燃料電池的制備方法，包括以下步驟：
(1)將陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層進(jìn)行憎水性處理，陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層采用碳紙；
(2)在陽極擴(kuò)散層上制備陽極微孔層，在陰極擴(kuò)散層上制備陰極微孔層；
(3)制備陽極催化層和陰極催化層；
(4)制備復(fù)合質(zhì)子交換膜：將改性埃洛石納米管均勻分散在去離子水中制得均一的分散液；然后將磺化聚醚醚酮溶于N-N-二甲基乙酰胺中形成溶液，室溫下將分散液和溶液混合均勻，澆注成膜，然后將膜進(jìn)行干燥，然后在稀硫酸中浸泡20-30h，用水洗去多余硫酸，制得復(fù)合質(zhì)子交換膜。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(4)中，所述膜的干燥條件為：先在60-100℃下干燥20-30h，然后在80-100℃下真空干燥10-15h。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(4)中，所述稀硫酸的濃度為1-1.5mol/L。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明采用以鈀和鉑為活性組分的催化劑，并合理控制二者的含量，使得陰極催化劑具有良好的電催化還原活性和穩(wěn)定性，使得制得的新型燃料電池性能優(yōu)異；
本發(fā)明在質(zhì)子交換膜中摻雜適量的改性埃洛石納米管，通過在埃洛石納米管上接枝聚合帶有磺酸基團(tuán)的單體引入磺酸基團(tuán)，制得的質(zhì)子交換膜具有較高的質(zhì)子電導(dǎo)率，并且機(jī)械性能好；且有效提高了燃料的利用效率，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。
具體實(shí)施方式：
為了更好的理解本發(fā)明，下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，實(shí)施例只用于解釋本發(fā)明，不會對本發(fā)明構(gòu)成任何的限定。
實(shí)施例1
一種高阻醇性能的新型燃料電池，包括陽極擴(kuò)散層、陽極微孔層、陽極催化層，質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極微孔層、陰極氣體擴(kuò)散層，所述質(zhì)子交換膜中摻雜有改性埃洛石納米管，所述改性埃洛石納米管先用多巴胺鹽酸鹽對埃洛石納米管進(jìn)行表面包覆處理，然后引入活性鹵素原子，再通過ATRP反應(yīng)將帶有磺酸基團(tuán)的單體接枝聚合到埃洛石納米管上制得；所述陰極催化層中的催化劑是以鈀和鉑為活性組分，以碳納米管為載體，活性組分的載量為0.5mg/cm2，鈀和鉑的質(zhì)量比為1：1。
其制備方法包括以下步驟：
(1)將陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層進(jìn)行憎水性處理，陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層采用碳紙；
(2)在陽極擴(kuò)散層上制備陽極微孔層，在陰極擴(kuò)散層上制備陰極微孔層；
(3)制備陽極催化層和陰極催化層；
(4)制備復(fù)合質(zhì)子交換膜：
a)在Tris-鹽酸緩沖液中加入埃洛石納米管、多巴胺鹽酸鹽混合，500W下超聲50min，然后磁力攪拌反應(yīng)10h，清洗，干燥得到多巴胺鹽酸鹽改性的埃洛石納米管，其中，多巴胺鹽酸鹽在反應(yīng)體系中的濃度為10mmg/L；
b)在惰性氣體的保護(hù)下加入四氫呋喃、三乙胺、多巴胺改性的埃洛石納米管和α-溴代酯，攪拌混合5h，清洗干燥后得到活性溴原子改性的埃洛石納米管，其中，α-溴代酯相對于多巴胺改性的埃洛石納米管D-HNTs的加入量為15mmol/(gD-HNTs)；四氫呋喃與三乙胺的體積比為10：1；
c)在惰性氣體保護(hù)下，將N-N-二甲基甲酰胺、帶有磺酸基團(tuán)的單體、五甲基二亞乙基三胺、溴化亞銅、去離子水和步驟b)制得的活性溴原子改性的埃洛石納米管混合攪拌10h，清洗干燥后得到所述改性埃洛石納米管，其中，帶有磺酸基團(tuán)的單體、溴化亞銅、五甲基二亞乙基三胺的摩爾比為30：3：1；
d)將上述制得的改性埃洛石納米管均勻分散在去離子水中制得均一的分散液；然后將磺化聚醚醚酮溶于N-N-二甲基乙酰胺中形成溶液，室溫下將分散液和溶液混合均勻，澆注成膜，然后將膜先在60℃下干燥30h，然后在80℃下真空干燥15h，然后在1mol/L的稀硫酸中浸泡20h，用水洗去多余硫酸，制得復(fù)合質(zhì)子交換膜。
實(shí)施例2
一種高阻醇性能的新型燃料電池，包括陽極擴(kuò)散層、陽極微孔層、陽極催化層，質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極微孔層、陰極氣體擴(kuò)散層，所述質(zhì)子交換膜中摻雜有改性埃洛石納米管，所述改性埃洛石納米管先用多巴胺鹽酸鹽對埃洛石納米管進(jìn)行表面包覆處理，然后引入活性鹵素原子，再通過ATRP反應(yīng)將帶有磺酸基團(tuán)的單體接枝聚合到埃洛石納米管上制得；所述陰極催化層中的催化劑是以鈀和鉑為活性組分，以碳納米管為載體，活性組分的載量為3.5mg/cm2，鈀和鉑的質(zhì)量比為2：1。
其制備方法包括以下步驟：
(1)將陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層進(jìn)行憎水性處理，陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層采用碳紙；
(2)在陽極擴(kuò)散層上制備陽極微孔層，在陰極擴(kuò)散層上制備陰極微孔層；
(3)制備陽極催化層和陰極催化層；
(4)制備復(fù)合質(zhì)子交換膜：
a)在Tris-鹽酸緩沖液中加入埃洛石納米管、多巴胺鹽酸鹽混合，1000W下超聲30min，然后磁力攪拌反應(yīng)24h，清洗，干燥得到多巴胺鹽酸鹽改性的埃洛石納米管，其中，多巴胺鹽酸鹽在反應(yīng)體系中的濃度為20mmg/L；
b)在惰性氣體的保護(hù)下加入四氫呋喃、三乙胺、多巴胺改性的埃洛石納米管和α-溴代酯，攪拌混合20h，清洗干燥后得到活性溴原子改性的埃洛石納米管，其中，α-溴代酯相對于多巴胺改性的埃洛石納米管D-HNTs的加入量為30mmol/(gD-HNTs)；四氫呋喃與三乙胺的體積比為30：1；
c)在惰性氣體保護(hù)下，將N-N-二甲基甲酰胺、帶有磺酸基團(tuán)的單體、五甲基二亞乙基三胺、溴化亞銅、去離子水和步驟b)制得的活性溴原子改性的埃洛石納米管混合攪拌80h，清洗干燥后得到所述改性埃洛石納米管，其中，帶有磺酸基團(tuán)的單體、溴化亞銅、五甲基二亞乙基三胺的摩爾比為50：6：3；
d)將上述制得的改性埃洛石納米管均勻分散在去離子水中制得均一的分散液；然后將磺化聚醚醚酮溶于N-N-二甲基乙酰胺中形成溶液，室溫下將分散液和溶液混合均勻，澆注成膜，然后將膜先在100℃下干燥20h，然后在100℃下真空干燥10h，然后在1.5mol/L的稀硫酸中浸泡30h，用水洗去多余硫酸，制得復(fù)合質(zhì)子交換膜。
實(shí)施例3
一種高阻醇性能的新型燃料電池，包括陽極擴(kuò)散層、陽極微孔層、陽極催化層，質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極微孔層、陰極氣體擴(kuò)散層，所述質(zhì)子交換膜中摻雜有改性埃洛石納米管，所述改性埃洛石納米管先用多巴胺鹽酸鹽對埃洛石納米管進(jìn)行表面包覆處理，然后引入活性鹵素原子，再通過ATRP反應(yīng)將帶有磺酸基團(tuán)的單體接枝聚合到埃洛石納米管上制得；所述陰極催化層中的催化劑是以鈀和鉑為活性組分，以碳納米管為載體，活性組分的載量為1.5mg/cm2，鈀和鉑的質(zhì)量比為1.2：1。
其制備方法包括以下步驟：
(1)將陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層進(jìn)行憎水性處理，陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層采用碳紙；
(2)在陽極擴(kuò)散層上制備陽極微孔層，在陰極擴(kuò)散層上制備陰極微孔層；
(3)制備陽極催化層和陰極催化層；
(4)制備復(fù)合質(zhì)子交換膜：
a)在Tris-鹽酸緩沖液中加入埃洛石納米管、多巴胺鹽酸鹽混合，600W下超聲45min，然后磁力攪拌反應(yīng)14h，清洗，干燥得到多巴胺鹽酸鹽改性的埃洛石納米管，其中，多巴胺鹽酸鹽在反應(yīng)體系中的濃度為12mmg/L；
b)在惰性氣體的保護(hù)下加入四氫呋喃、三乙胺、多巴胺改性的埃洛石納米管和α-溴代酯，攪拌混合9h，清洗干燥后得到活性溴原子改性的埃洛石納米管，其中，α-溴代酯相對于多巴胺改性的埃洛石納米管D-HNTs的加入量為19mmol/(gD-HNTs)；四氫呋喃與三乙胺的體積比為15：1；
c)在惰性氣體保護(hù)下，將N-N-二甲基甲酰胺、帶有磺酸基團(tuán)的單體、五甲基二亞乙基三胺、溴化亞銅、去離子水和步驟b)制得的活性溴原子改性的埃洛石納米管混合攪拌20h，清洗干燥后得到所述改性埃洛石納米管，其中，帶有磺酸基團(tuán)的單體、溴化亞銅、五甲基二亞乙基三胺的摩爾比為35：4：1.5；
d)將上述制得的改性埃洛石納米管均勻分散在去離子水中制得均一的分散液；然后將磺化聚醚醚酮溶于N-N-二甲基乙酰胺中形成溶液，室溫下將分散液和溶液混合均勻，澆注成膜，然后將膜先在70℃下干燥22h，然后在85℃下真空干燥11h，然后在1.1mol/L的稀硫酸中浸泡22h，用水洗去多余硫酸，制得復(fù)合質(zhì)子交換膜。
實(shí)施例4
一種高阻醇性能的新型燃料電池，包括陽極擴(kuò)散層、陽極微孔層、陽極催化層，質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極微孔層、陰極氣體擴(kuò)散層，所述質(zhì)子交換膜中摻雜有改性埃洛石納米管，所述改性埃洛石納米管先用多巴胺鹽酸鹽對埃洛石納米管進(jìn)行表面包覆處理，然后引入活性鹵素原子，再通過ATRP反應(yīng)將帶有磺酸基團(tuán)的單體接枝聚合到埃洛石納米管上制得；所述陰極催化層中的催化劑是以鈀和鉑為活性組分，以碳納米管為載體，活性組分的載量為2.5mg/cm2，鈀和鉑的質(zhì)量比為1.4：1。
其制備方法包括以下步驟：
(1)將陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層進(jìn)行憎水性處理，陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層采用碳紙；
(2)在陽極擴(kuò)散層上制備陽極微孔層，在陰極擴(kuò)散層上制備陰極微孔層；
(3)制備陽極催化層和陰極催化層；
(4)制備復(fù)合質(zhì)子交換膜：
a)在Tris-鹽酸緩沖液中加入埃洛石納米管、多巴胺鹽酸鹽混合，700W下超聲40min，然后磁力攪拌反應(yīng)18h，清洗，干燥得到多巴胺鹽酸鹽改性的埃洛石納米管，其中，多巴胺鹽酸鹽在反應(yīng)體系中的濃度為14mmg/L；
b)在惰性氣體的保護(hù)下加入四氫呋喃、三乙胺、多巴胺改性的埃洛石納米管和α-溴代酯，攪拌混合13h，清洗干燥后得到活性溴原子改性的埃洛石納米管，其中，α-溴代酯相對于多巴胺改性的埃洛石納米管D-HNTs的加入量為23mmol/(gD-HNTs)；四氫呋喃與三乙胺的體積比為20：1；
c)在惰性氣體保護(hù)下，將N-N-二甲基甲酰胺、帶有磺酸基團(tuán)的單體、五甲基二亞乙基三胺、溴化亞銅、去離子水和步驟b)制得的活性溴原子改性的埃洛石納米管混合攪拌40h，清洗干燥后得到所述改性埃洛石納米管，其中，帶有磺酸基團(tuán)的單體、溴化亞銅、五甲基二亞乙基三胺的摩爾比為40：5：2；
d)將上述制得的改性埃洛石納米管均勻分散在去離子水中制得均一的分散液；然后將磺化聚醚醚酮溶于N-N-二甲基乙酰胺中形成溶液，室溫下將分散液和溶液混合均勻，澆注成膜，然后將膜先在80℃下干燥24h，然后在90℃下真空干燥12h，然后在1.2mol/L的稀硫酸中浸泡24h，用水洗去多余硫酸，制得復(fù)合質(zhì)子交換膜。
實(shí)施例5
一種高阻醇性能的新型燃料電池，包括陽極擴(kuò)散層、陽極微孔層、陽極催化層，質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極微孔層、陰極氣體擴(kuò)散層，所述質(zhì)子交換膜中摻雜有改性埃洛石納米管，所述改性埃洛石納米管先用多巴胺鹽酸鹽對埃洛石納米管進(jìn)行表面包覆處理，然后引入活性鹵素原子，再通過ATRP反應(yīng)將帶有磺酸基團(tuán)的單體接枝聚合到埃洛石納米管上制得；所述陰極催化層中的催化劑是以鈀和鉑為活性組分，以碳納米管為載體，活性組分的載量為3.0mg/cm2，鈀和鉑的質(zhì)量比為1.6：1。
其制備方法包括以下步驟：
(1)將陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層進(jìn)行憎水性處理，陽極擴(kuò)散層和陰極擴(kuò)散層采用碳紙；
(2)在陽極擴(kuò)散層上制備陽極微孔層，在陰極擴(kuò)散層上制備陰極微孔層；
(3)制備陽極催化層和陰極催化層；
(4)制備復(fù)合質(zhì)子交換膜：
a)在Tris-鹽酸緩沖液中加入埃洛石納米管、多巴胺鹽酸鹽混合，800W下超聲35min，然后磁力攪拌反應(yīng)22h，清洗，干燥得到多巴胺鹽酸鹽改性的埃洛石納米管，其中，多巴胺鹽酸鹽在反應(yīng)體系中的濃度為18mmg/L；
b)在惰性氣體的保護(hù)下加入四氫呋喃、三乙胺、多巴胺改性的埃洛石納米管和α-溴代酯，攪拌混合18h，清洗干燥后得到活性溴原子改性的埃洛石納米管，其中，α-溴代酯相對于多巴胺改性的埃洛石納米管D-HNTs的加入量為26mmol/(gD-HNTs)；四氫呋喃與三乙胺的體積比為25：1；
c)在惰性氣體保護(hù)下，將N-N-二甲基甲酰胺、帶有磺酸基團(tuán)的單體、五甲基二亞乙基三胺、溴化亞銅、去離子水和步驟b)制得的活性溴原子改性的埃洛石納米管混合攪拌60h，清洗干燥后得到所述改性埃洛石納米管，其中，帶有磺酸基團(tuán)的單體、溴化亞銅、五甲基二亞乙基三胺的摩爾比為45：5.5：2.5；
d)將上述制得的改性埃洛石納米管均勻分散在去離子水中制得均一的分散液；然后將磺化聚醚醚酮溶于N-N-二甲基乙酰胺中形成溶液，室溫下將分散液和溶液混合均勻，澆注成膜，然后將膜先在90℃下干燥26h，然后在95℃下真空干燥14h，然后在1.3mol/L的稀硫酸中浸泡28h，用水洗去多余硫酸，制得復(fù)合質(zhì)子交換膜。