一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法与流程

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法，特别涉及一种层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑聚合物复合的碱性阴离子交换膜及制备方法和基于这种膜组装的直接甲酸盐燃料电池。

背景技术：

燃料电池是一种通过电化学反应直接将燃料中的化学能转化为电能的装置，相比于传统动力技术，燃料电池具有能量转化效率高，不受卡诺循环限制，可靠性和操作性良好，燃料选择广泛，噪声低，清洁环保等优势，近年来受到越来越多的关注。

燃料电池有多种类型，其中聚合物电解质膜燃料电池具有快速启动，对负荷变化响应迅速等优点，在新能源汽车、便携式电子设备领域均具有广阔的应用前景。聚合物电解质膜燃料电池储能物质选择范围宽，可以使用氢气、甲醇、乙醇、甲酸、甲酸盐、葡萄糖等作为燃料。根据工作环境酸碱性的不同，可以使用酸性条件下工作的质子交换膜作为固体电解质或者碱性条件下工作的阴离子交换膜作为固体电解质。

质子交换膜燃料电池是一种发展较早，较为成熟的聚合物电解质膜燃料电池。商业化的质子交换膜如美国杜邦公司生产的nafion膜，具有较高的离子电导率，优良的化学稳定性和机械稳定性，广泛应用在直接液体燃料电池中。然而这种全氟磺酸膜制备工艺复杂，成本高昂，并且存在燃料渗透率高、工作环境中对于温度、含水量要求较高的问题。另外，质子交换膜需要在酸性条件下工作，必须使用耐腐蚀的铂基催化剂，进一步提升了质子交换膜燃料电池的成本。上述原因极大地限制了质子交换膜燃料电池的商业化应用。

碱性条件下，燃料电池具有更快的氧还原反应动力学，可以使用非贵金属催化剂并且燃料在碱性环境中具有更低的渗透率，因此基于碱性阴离子交换膜的燃料电池受到研究人员的广泛关注。特别是基于碱性阴离子交换膜的直接甲酸盐燃料电池，由于其功率密度高，抗中毒能力强，燃料便于储存和运输等优点，被认为是最具潜力的新型化学电源之一。

然而目前使用的碱性阴离子交换膜仍然面临诸多问题。由于氢氧根分子量较大，其在阴离子交换膜中的扩散速率要远远小于氢离子在质子交换膜中的扩散速率，因此必须通过提高膜中的离子交换容量以提高碱性膜离子电导率。在过去的几年间，大量的碱性阴离子交换膜被报道，包括季铵功能化聚合物膜、咪唑功能化聚合物膜、胍盐功能化聚合物膜等，然而在碱性条件下，这些功能化有机阳离子很容易发生霍夫曼降解、亲核取代等反应，导致阴离子交换膜离子传导性能的下降。碱性阴离子交换膜较低的离子电导率以及较差的化学稳定性、尺寸稳定性成为目前制约阴离子交换膜燃料电池商业化应用的重要因素。

因此开发一种具有高离子电导率，良好的化学稳定性和尺寸稳定性的碱性阴离子交换膜将具有很广阔的研究前景和应用前景。

中国专利cn106025316a提出一种将氢氧化物纳米片溶液在施加压力条件下真空过滤获得氢氧化物纳米片阴离子交换膜的制备方法。但是采用此种方法制得的阴离子交换膜存在机械性能差，易脆裂的问题，同时由于纳米片之间存在不可避免的孔隙，可能导致燃料的渗漏，因此限制了此种阴离子交换膜的适用范围。

当前碱性阴离子交换膜普遍存在的燃料渗透率高，离子传导率低，化学稳定性以及尺寸稳定性较差的问题。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法，采用聚苯并咪唑作为碱性膜的基体，同时掺入层状双金属氢氧化物纳米片，制备了一种有机无机杂化膜，将此种交换膜应用在直接甲酸盐燃料电池中。

技术方案

一种碱性阴离子交换膜，其特征在于：由层状双金属氢氧化物和聚苯并咪唑复合而成，其中：层状双金属氢氧化物在交换膜中的质量百分比为5％-20％；阴离子交换膜薄膜厚度为40-60μm；所述层状双金属氢氧化物为镁铝层状双金属氢氧化物，形貌为六边形纳米片。

一种所述碱性阴离子交换膜的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、层状双金属氢氧化物的制备：采用甲酰胺和去离子水配制成体积分数为20vol％-25vol％的甲酰胺溶液，再加入10-20mg硝酸钠溶解，在80℃-90℃条件下磁力搅拌均匀，得到甲酰胺与硝酸钠溶液；

配制摩尔分数比为4:1的硝酸镁与硝酸铝的混合溶液；溶液中硝酸铝浓度为0.005-0.015m，硝酸镁浓度为0.02-0.06m；

将硝酸镁与硝酸铝混合溶液逐滴加入到甲酰胺与硝酸钠溶液中，滴加过程保持在80℃-90℃下磁力搅拌，同时逐滴加入摩尔分数为0.20-0.30m的氢氧化钠溶液调节ph值在反应过程中体系保持在9-10；

溶液反应10-15分钟后离心并用去离子水洗涤2-3次，获得透明状的镁铝双金属氢氧化物ldh胶体，再放入冷冻干燥机中干燥10-12小时，获得颗粒细小的层状双金属氢氧化物粉末即镁铝双金属氢氧化物粉体；

步骤2、制备阴离子交换膜：将镁铝双金属氢氧化物粉体末溶于二甲基亚砜或二甲基乙酰胺中，超声处理1-2小时，加热并搅拌使得ldh均匀分散在溶剂中；再加入聚苯并咪唑pbi粉末，在80-90℃下磁力搅拌3-4小时，使聚苯并咪唑粉末充分溶解，获得均一的橘红色溶液；所述ldh与pbi的质量比为1:19-1:4；

采用溶液浇铸成膜工艺，将橘红色溶液倒进玻璃培养皿中，放置在恒温干燥箱中，90-120℃条件下干燥10-12小时，使得溶剂缓慢地蒸发完全，获得层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑复合的碱性阴离子交换膜；

步骤3、对干燥后的薄膜进行浸碱预处理：在室温条件下放入摩尔分数为2m-6m的氢氧化钾溶液中处理2天，获得氢氧化钾掺杂的pbi-ldh薄膜即阴离子交换膜，放入去离子水中存储备用。

一种利用所述碱性阴离子交换膜制备甲酸盐燃料电池的方法，其特征在于：

步骤a、催化剂浆料的制备：

阳极催化剂浆料：将质量分数为10％的商业钯碳催化剂，加入体积比例为1:2的去离子水和无水乙醇中，再加入40-50微升质量分数为10％的四氟乙烯ptfe溶液，超声处理1-2小时；

阴极催化剂浆料：将质量分数为20％的商业铂碳催化剂，加入体积比例为1:2的去离子水和异丙醇中，再加入20-30微升质量分数为10％的四氟乙烯ptfe溶液，超声处理1-2小时；

步骤b、膜电极的制备：将阳极催化剂浆料和阴极催化剂浆料，采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上，得到含有阴极催化剂层和阳极催化剂层的碳纸；

将含有阴极催化剂层的碳纸、阴离子交换膜、含有阳极催化剂层的碳纸叠放在一起组成三明治结构，在热压机下进行热压处理制备成膜电极；热压参数：4-6mpa，60-80℃，2-3分钟；

步骤c、甲酸盐燃料电池的制备：将制作好的膜电极组装到燃料电池中，液体燃料为摩尔分数比1:1的4m的氢氧化钾、甲酸钾混合溶液，液体燃料流速为每分钟1-1.5ml；阴极采用氧气作为反应气体，气体流速为每分钟50-80ml。

有益效果

本发明提出的一种碱性阴离子交换膜及制备方法和甲酸盐燃料电池制备方法，碱性阴离子交换膜，使用聚苯并咪唑作为碱性膜的基体，同时掺入层状双金属氢氧化物纳米粒子用以改善膜的离子电导率。聚苯并咪唑具有优异的的耐高温、耐腐蚀性能，并且具有良好的亲水性、热稳定性和机械性能。聚苯并咪唑分子结构中的咪唑环中具有-n＝和-nh-两种功能团，在碱掺杂后具有良好的氢氧根传导性能。层状双金属氢氧化物层片状结构之间具有可以交换的阴离子，在进行氢氧根离子交换后具有良好的氢氧根传导性能，因此被广泛地用作离子交换载体。由于层状双金属氢氧化物在碱性环境中合成，因此具有较好的碱稳定性。

本发明将镁铝层状双金属氢氧化物掺杂在聚合物中，构成有机无机杂化膜，由于该碱性膜中不含季铵功能团，从而避免了霍夫曼降解、亲核取代等反应导致的阴离子交换膜离子传导性能下降的问题，使得碱性膜在高ph碱性介质、高温工作环境(＞60℃)、长时间工作条件下可以保持良好的化学稳定性和较高的离子电导率。

薄膜中掺杂的层状双金属氢氧化物采用甲酰胺辅助合成，甲酰胺的引入可以在双金属氢氧化物形成时吸附在层片的表面，抑制层片的长大，从而获得纳米尺度的层片状结构，因此可以均匀的分散在聚苯并咪唑薄膜之中。层状双金属氢氧化物在碱处理后层间的阴离子替换为氢氧根离子，因此为交换膜提供了特有的离子传输通道，提高了碱性膜的离子交换容量和离子电导率。双金属氢氧化物均匀的分散在聚合物基体内部，增大了燃料分子的传输阻力，从而降低了燃料的渗透率。

基于本发明的阴离子交换膜、商业钯碳阳极催化剂和铂碳阴极催化剂，可以制备出甲酸盐燃料电池，该电池在60℃条件下的最大电流密度65macm^-2，最大功率密度为27.14mwcm^-2，高于商业faa阴离子交换膜和不含层状双金属氢氧化物的pbi薄膜。

本发明的制备工艺简单，成本低廉，适合规模化的工业生产，适合应用在直接液体燃料电池中。

附图说明

图1为制备该阴离子交换膜及直接甲酸盐燃料电池的工艺流程图；

图2为本发明实施例中制备得到的聚苯并咪唑薄膜和镁铝层状双金属氢氧化物的热失重曲线，曲线1为聚苯并咪唑薄膜热失重曲线，曲线2为镁铝层状双金属氢氧化物的热失重曲线；

图3为本发明实施例1中pbi-ldh5膜在直接甲酸盐燃料电池中的放电性能曲线，曲线1为电压-电流密度曲线，曲线2为功率密度-电流密度曲线。

测试条件：液体燃料为4m氢氧化钾、4m甲酸钾混合溶液。阳极pd/c催化剂载量为1mgcm^-2(以金属钯计)，阴极pt/c催化剂载量为1mgcm^-2(以金属铂计)。工作温度60℃，阳极电解液流速1mlmin^-1，阴极氧气流速50mlmin^-1。

图4为本发明实施例2中pbi-ldh10膜在直接甲酸盐燃料电池中的放电性能曲线，曲线1为电压-电流密度曲线，曲线2为功率密度-电流密度曲线。测试条件与实施例1相同；

图5为本发明实施例3中pbi-ldh15膜在直接甲酸盐燃料电池中的放电性能曲线，曲线1为电压-电流密度曲线，曲线2为功率密度-电流密度曲线。测试条件与实施例1相同；

图6为本发明实施例4中pbi-ldh20膜在直接甲酸盐燃料电池中的放电性能曲线，曲线1为电压-电流密度曲线，曲线2为功率密度-电流密度曲线。测试条件与实施例1相同；

图7为比较例1中faa膜在直接甲酸盐燃料电池中的放电性能曲线，曲线1为电压-电流密度曲线，曲线2为功率密度-电流密度曲线。测试条件与实施例1相同；

图8为比较例2中pbi膜在直接甲酸盐燃料电池中的放电性能曲线，曲线1为电压-电流密度曲线，曲线2为功率密度-电流密度曲线。测试条件与实施例1相同；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

制备本发明碱性阴离子交换膜的构思如下：采用聚苯并咪唑作为基体；采用合成的镁铝层状双金属氢氧化物作为无机部分，两者通过混合使得双金属氢氧化物均匀的分散在有机物基体中。

实施例1

制备本实例的碱性阴离子交换膜的过程为：

1)制备镁铝层状双金属氢氧化物

量取4.6ml甲酰胺、15.4ml去离子水，配制成体积分数为23vol％的甲酰胺溶液，加入17mg硝酸钠溶解，80℃条件下磁力搅拌均匀。

配制20ml0.040m硝酸镁和0.010m硝酸铝的混合水溶液。

将硝酸镁、硝酸铝混合溶液逐滴加入到甲酰胺、硝酸钠溶液中，溶液在80℃下磁力搅拌，同时逐滴加入0.25m的氢氧化钠溶液，将体系ph值调整到9-10。

溶液反应时间10分钟。

将反应后的产物离心并用去离子水洗涤3次，获得透明状的镁铝双金属氢氧化物胶体。

将产物放入冷冻干燥机中干燥12小时，获得颗粒细小的镁铝双金属氢氧化物粉体。

2)制备层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑杂化阴离子交换膜

称取10.5mgldh，溶于15ml二甲基乙酰胺中，超声处理60分钟，使得ldh均匀分散在二甲基乙酰胺中。加入200mg聚苯并咪唑粉末，在80℃下磁力搅拌3-4小时，使聚苯并咪唑粉末充分溶解，获得均一的橘红色溶液。

采用溶液浇铸法成膜，将溶液倒进玻璃培养皿中，将玻璃皿放置在恒温干燥箱中，90℃条件下干燥12小时，使得溶剂二甲基乙酰胺缓慢地蒸发完全，获得ldh质量分数为5％的pbi-ldh5薄膜。

3)pbi-ldh薄膜的浸碱预处理

取出干燥后的pbi-ldh5薄膜，裁切成合适大小，室温条件下放入6m氢氧化钾溶液中处理2天，获得氢氧化钾掺杂的pbi-ldh5薄膜，之后放入去离子水中备用。

4)组装甲酸盐燃料电池

阳极催化剂层：称取商业10％钯碳催化剂40mg，加入0.5ml去离子水、1ml无水乙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属钯计)。

阴极催化剂层：称取商业20％铂碳催化剂20mg，加入0.5ml去离子水、1ml异丙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在具有带有空气扩散层的碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属铂计)。

膜电极：将钯碳催化剂层、pbi-ldh5薄膜、铂碳催化剂层叠放在一起组成三明治结构，在热压机下进行热压处理。热压参数：4mpa，60℃，3分钟。

将制作好的膜电极组装到燃料电池中。

配制4m氢氧化钾、4m甲酸钾混合溶液作为液体燃料。

燃料电池工作条件：工作温度60℃，阳极电解液流速1mlmin^-1，阴极氧气流速50mlmin^-1。

实施例2

制备本实例的碱性阴离子交换膜的过程为：

1)制备镁铝层状双金属氢氧化物

量取4.6ml甲酰胺、15.4ml去离子水，配制成体积分数为23vol％的甲酰胺溶液，加入15mg硝酸钠溶解，80摄氏度下磁力搅拌均匀。

配制20ml的0.040m硝酸镁和0.010m硝酸铝混合水溶液。

将硝酸镁、硝酸铝混合溶液逐滴加入到甲酰胺、硝酸钠溶液中，溶液在85℃下磁力搅拌，同时逐滴加入0.25m的氢氧化钠溶液，保持体系ph值在9-10。

反应时间为10分钟。

将反应后的产物离心并用去离子水洗涤2-3次，获得透明状的镁铝双金属氢氧化物胶体。

将产物放入冷冻干燥机中干燥10小时，获得颗粒细小的镁铝双金属氢氧化物粉体。

2)制备层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑杂化阴离子交换膜

称取22mgldh，溶于15ml二甲基乙酰胺中，超声处理60分钟，使得ldh均匀分散在二甲基乙酰胺中。加入200mg聚苯并咪唑粉末，在80℃下磁力搅拌3-4小时，使聚苯并咪唑粉末充分溶解，获得均一的橘红色溶液。

采用溶液浇铸法成膜，将溶液倒进玻璃培养皿中，放置在恒温干燥箱中，95℃条件下干燥12小时，使得溶剂二甲基乙酰胺缓慢地蒸发完全，获得ldh质量分数为10％的pbi-ldh10薄膜。

3)pbi-ldh薄膜的浸碱预处理

取出干燥后的pbi-ldh10薄膜，裁切成合适大小，室温条件下放入6m氢氧化钾溶液中处理2天，获得氢氧化钾掺杂的pbi-ldh10薄膜，之后放入去离子水中备用。

4)组装甲酸盐燃料电池

阳极催化剂层：称取商业10％钯碳催化剂40mg，加入0.5ml去离子水、1ml无水乙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属钯计)。

阴极催化剂层：称取商业20％铂碳催化剂20mg，加入0.5ml去离子水、1ml异丙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在具有带有空气扩散层的碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属铂计)。

膜电极：将钯碳催化剂层、pbi-ldh10薄膜、铂碳催化剂层叠放在一起组成三明治结构，在热压机下进行热压处理。热压参数：4mpa，60℃，2分钟。

将制作好的膜电极组装到燃料电池中。

配制4m氢氧化钾、4m甲酸钾混合溶液作为液体燃料。

燃料电池工作条件：工作温度60℃，阳极电解液流速1mlmin^-1，阴极氧气流速50mlmin^-1。

实施例3

制备本实例的碱性阴离子交换膜的过程为：

1)制备镁铝层状双金属氢氧化物

量取4.6ml甲酰胺、15.4ml去离子水，配制成体积分数为23vol％的甲酰胺溶液，加入20mg硝酸钠溶解，80℃下磁力搅拌均匀。

配制20ml0.040m硝酸镁和0.010m硝酸铝的混合水溶液。

将硝酸镁、硝酸铝混合溶液逐滴加入到甲酰胺、硝酸钠溶液中，溶液在80℃下磁力搅拌，同时逐滴加入0.25m的氢氧化钠溶液，保持体系ph值在10。

反应时间为10分钟。

将反应后的产物离心并用去离子水洗涤2-3次，获得透明状的镁铝双金属氢氧化物胶体。

将产物放入冷冻干燥机中干燥12小时，获得颗粒细小的镁铝双金属氢氧化物粉体。

2)制备层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑杂化阴离子交换膜

称取35mgldh，溶于15ml二甲基乙酰胺中，超声处理90分钟，使得ldh均匀分散在二甲基乙酰胺中。加入200mg聚苯并咪唑粉末，在80℃下磁力搅拌3-4小时，使聚苯并咪唑粉末充分溶解，获得均一的橘红色溶液。

采用溶液浇铸法成膜，将溶液倒进玻璃培养皿中，放置在恒温干燥箱中，100℃条件下干燥12小时，使得溶剂二甲基乙酰胺缓慢地蒸发完全，获得ldh质量分数为15％的pbi-ldh15薄膜。

3)pbi-ldh薄膜的浸碱预处理

取出干燥后的pbi-ldh15薄膜，裁切成合适大小，室温条件下放入6m氢氧化钾溶液中处理2天，获得氢氧化钾掺杂的pbi-ldh15薄膜，之后放入去离子水中备用。

4)组装甲酸盐燃料电池

阳极催化剂层：称取商业10％钯碳催化剂40mg，加入0.5ml去离子水、1ml无水乙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属钯计)。

阴极催化剂层：称取商业20％铂碳催化剂20mg，加入0.5ml去离子水、1ml异丙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在具有带有空气扩散层的碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属铂计)。

膜电极：将钯碳催化剂层、pbi-ldh15薄膜、铂碳催化剂层叠放在一起组成三明治结构，在热压机下进行热压处理。热压参数：4mpa，80℃，3分钟。

将制作好的膜电极组装到燃料电池中。

配制4m氢氧化钾、4m甲酸钾混合溶液作为液体燃料。

燃料电池工作条件：工作温度60℃，阳极电解液流速1mlmin^-1，阴极氧气流速50mlmin^-1。

实施例4

制备本实例的碱性阴离子交换膜的过程为：

1)制备镁铝层状双金属氢氧化物

量取4.6ml甲酰胺、15.4ml去离子水，配制成体积分数为23vol％的甲酰胺溶液，加入17mg硝酸钠溶解，80℃下磁力搅拌均匀。

配制20ml0.040m硝酸镁和0.010m硝酸铝的混合水溶液。

将硝酸镁、硝酸铝混合溶液逐滴加入到甲酰胺、硝酸钠溶液中，溶液在80℃下磁力搅拌，同时逐滴加入0.25m的氢氧化钠溶液，保持体系ph值在10。

反应时间为10分钟。

将反应后的产物离心并用去离子水洗涤3次，获得透明状的镁铝双金属氢氧化物胶体。

将产物放入冷冻干燥机中干燥12小时，获得颗粒细小的镁铝双金属氢氧化物粉体。

2)制备层状双金属氢氧化物与聚苯并咪唑杂化阴离子交换膜

称取50mgldh，溶于15ml二甲基乙酰胺中，超声处理90分钟，使得ldh均匀分散在二甲基乙酰胺中。加入200mg聚苯并咪唑粉末，在80℃下磁力搅拌3-4小时，使聚苯并咪唑粉末充分溶解，获得均一的橘红色溶液。

采用溶液浇铸法成膜，将溶液倒进玻璃培养皿中，放置在恒温干燥箱中，90℃条件下干燥12小时，使得溶剂二甲基乙酰胺缓慢地蒸发完全，获得ldh质量分数为20％的pbi-ldh20薄膜。

3)pbi-ldh薄膜的浸碱预处理

取出干燥后的pbi-ldh20薄膜，裁切成合适大小，室温条件下放入6m氢氧化钾溶液中处理2天，获得氢氧化钾掺杂的pbi-ldh20薄膜，之后放入去离子水中备用。

4)组装甲酸盐燃料电池

阳极催化剂层：称取商业10％钯碳催化剂40mg，加入0.5ml去离子水、1ml无水乙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属钯计)。

阴极催化剂层：称取商业20％铂碳催化剂20mg，加入0.5ml去离子水、1ml异丙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在具有带有空气扩散层的碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属铂计)。

膜电极：将钯碳催化剂层、pbi-ldh20薄膜、铂碳催化剂层叠放在一起组成三明治结构，在热压机下进行热压处理。热压参数：4mpa，60℃，3分钟。

将制作好的膜电极组装到燃料电池中。

配制4m氢氧化钾、4m甲酸钾混合溶液作为液体燃料。

燃料电池工作条件：工作温度60℃，阳极电解液流速1mlmin^-1，阴极氧气流速50mlmin^-1。

比较例1

与实例1、2、3、4相比，本比较例制备的碱性阴离子交换膜没有进行镁铝层状双金属氢氧化物的掺杂。具体如下：

制备本实例的碱性阴离子交换膜的过程为：

1)制备聚苯并咪唑阴离子交换膜

称取200mg聚苯并咪唑粉末，溶于15ml二甲基亚砜中，80℃下磁力搅拌3-4小时，使聚苯并咪唑粉末充分溶解，获得均一的橘红色溶液。

采用溶液浇铸法成膜，将溶液倒进玻璃培养皿中，将玻璃培养皿放置在恒温干燥箱中，120℃条件下干燥12小时，使得溶剂二甲基亚砜缓慢地蒸发完全，获得pbi薄膜。

2)pbi薄膜的浸碱预处理

取出干燥后的pbi薄膜，裁切成合适大小，室温条件下放入6m氢氧化钾溶液中处理2天，获得氢氧化钾掺杂的pbi薄膜，之后放入去离子水中备用。

3)组装甲酸盐燃料电池

阳极催化剂层：称取商业10％钯碳催化剂40mg，加入0.5ml去离子水、1ml无水乙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属钯计)。

阴极催化剂层：称取商业20％铂碳催化剂20mg，加入0.5ml去离子水、1ml异丙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在具有带有空气扩散层的碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属铂计)。

膜电极：将钯碳催化剂层、pbi薄膜、铂碳催化剂层叠放在一起组成三明治结构，在热压机下进行热压处理。热压参数：6mpa，60℃，3分钟。

将制作好的膜电极组装到燃料电池中。

配制4m氢氧化钾、4m甲酸钾混合溶液作为液体燃料。

燃料电池工作条件：工作温度60℃，阳极电解液流速1mlmin^-1，阴极氧气流速50mlmin^-1。

比较例2

本比较例采用的是商业碱性阴离子交换膜fuma-tech公司的faa膜。

1)faa薄膜的浸碱预处理

取出faa薄膜，裁切成合适大小，60℃条件下放入2m氢氧化钾溶液中处理2天，获得氢氧化钾掺杂的faa薄膜，之后放入去离子水中备用。

2)组装甲酸盐燃料电池

阳极催化剂层：称取商业10％钯碳催化剂40mg，加入0.5ml去离子水、1ml无水乙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属钯计)。

阴极催化剂层：称取商业20％铂碳催化剂20mg，加入0.5ml去离子水、1ml异丙醇和适量聚四氟乙烯(ptfe)溶液，超声处理1小时，使催化剂均匀分散在溶液中，其中ptfe起到粘结作用，在催化剂中所占质量分数为10％。将分散后的催化剂浆料采用气动喷涂方式均匀涂布在具有带有空气扩散层的碳纸上，催化剂载量为1mgcm^-2(以金属铂计)。

膜电极：将钯碳催化剂层、faa薄膜、铂碳催化剂层叠放在一起组成三明治结构，由于faa薄膜对于压力和温度比较敏感，因此不采用热压工艺。直接将制作好的膜电极组装到燃料电池中。

配制4m氢氧化钾、4m甲酸钾混合溶液作为液体燃料。

燃料电池工作条件：工作温度60℃，阳极电解液流速1mlmin^-1，阴极氧气流速50mlmin^-1。

本发明设计制备了一种新型碱性阴离子交换膜，由聚苯并咪唑(pbi)和层状双金属氢氧化物(ldh)复合而成，并且基于本发明的阴离子交换膜、钯碳阳极催化剂和铂碳阴极催化剂，制备了直接甲酸盐燃料电池。

(1)涉及的碱性阴离子交换膜由层状双金属氢氧化物和聚苯并咪唑复合而成。层状双金属氢氧化物在交换膜中的成分质量百分比例为5％-20％。

(2)涉及的阴离子交换膜薄膜厚度为40-60μm。

(3)涉及的层状双金属氢氧化物为镁铝层状双金属氢氧化物，形貌为六边形纳米片。

(4)涉及的层状双金属氢氧化物纳米片在合成过程中使用甲酰胺作为抑制剂，直接在溶液中合成。甲酰胺用以控制纳米片的长大。

(5)基于此阴离子交换膜的直接甲酸盐燃料电池在60℃条件下的最大电流密度65macm^-2，最大功率密度为27.14mwcm^-2，优于商业faa阴离子交换膜和不含层状双金属氢氧化物的pbi薄膜。