一种膜电极及其制备和应用制造技术

一种膜电极的制备方法，膜电极的压合制备过程包括预压合和压合两个步骤。预压过程通过预压温度、预压时间与预压压力的控制实现膜中磷酸与水的分离，压合步骤通过压合温度与压合压力的控制实现磷酸在膜与电极中的分布，最终得到磷酸含量高、磷酸在膜与电极中合理分布、电化学性能好的膜电极。本方法特征在于通过压合制备过程对磷酸实现定量、合理地分配，得到性能高的膜电极，操作可实现性高、易于膜电极的批量制备，不仅适用于基于溶胶凝胶法高温聚合物电解质膜的膜电极的制备，同样适用于后浸渍法高温聚合物电解质膜的膜电极的制备。渍法高温聚合物电解质膜的膜电极的制备。渍法高温聚合物电解质膜的膜电极的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极及其制备和应用


[0001]本专利技术属于高温聚合物电解质膜燃料电池领域，特别涉及一种高性能高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极的压合制备方法。

技术介绍

[0002]高温质子交换膜燃料电池(HT
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PEMFC)的工作温度通常在150
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200℃，具有较强的耐CO毒化的能力，较高的尾气废热利用价值，因此HT
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PEMFC具有燃料选择范围广、系统简单、综合能量利用率高等优势，在车载电源、便携式电源、固定电站以及微型热电联产系统等领域表现出了巨大的潜力。
[0003]作为其中关键材料，聚合物电解质膜在燃料电池中的作用包括绝缘、隔绝阴阳极气体、传导质子和提供电化学三相反应界面所需的质子。作为燃料电池中质子传输介质，磷酸的管理对燃料电池性能、可靠性与寿命的影响不容忽视，展开磷酸在燃料电池全寿命周期变化的研究工作对于提高其性能，延长其寿命具有比较重要的意义。文献中针对磷酸的再分布与流失做了大量的研究报道，通过阐述燃料电池不同工况对磷酸流失的影响，揭示磷酸的流失对燃料电池放电产生的极化因素，从而阐释对其性能衰减或者对电池寿命的影响。膜电极制备过程直接决定其中磷酸的量及其分布，然而，由于膜中大量水的存在，尤其是溶胶溶胶法制备的PBI/H3PO4膜含水量达45％，在膜电极制备过程中会造成大量的水残留于电极中，一方面造成膜电极中磷酸含量低，膜电极的寿命不能满足要求，另一方面会使得大量的磷酸溶液充斥于电极中，造成电极酸淹现象，产生较大的电化学反应极化和传质极化，严重影响燃料电池的性能。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种高性能高温聚合物电解质膜燃料电池的制备方法，用以控制磷酸的合理分布，提高燃料电池性能，延长其寿命。
[0005]所述一种高性能高温聚合物电解质膜燃料电池的制备方法，包括以下制备步骤，
[0006](1)膜电极的组合放置：将膜电极材料阳极、膜、以及阴极依次层叠放置；
[0007](2)膜电极压合制备：为了避免水在膜电极中残留同时保证酸在膜中的保留避免电极酸淹影响传质，膜电极的压合制备过程包括预压合与压合两个步骤，
[0008]预压过程是为了除去膜里大部分的水分而避免或尽量减少磷酸从膜中流失，使得膜中的水分减少78％
‑
92％，磷酸保留量为85％
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100％；而压合过程目的是控制磷酸在膜与电极中的分布，避免过多的磷酸到达电极，造成电极酸淹现象，膜中磷酸与电极中磷酸的量控制在85％
‑
100％；
[0009]A、预压合：
[0010]先将限位模具置于热压合设备的下加热板上预加热，然后再将步骤(1)中组合放置的膜电极材料放置于已经预加热的模具上，使得阴极靠近压合设备的上加热板一侧放置；或者先将步骤(1)中组合放置的膜电极材料放置于模具上，然后再将放置了组合成功的
膜电极各材料的模具放置于压合设备下加热板上，使得阴极靠近压合设备的上加热板一侧放置；
[0011]通过压合设备对膜电极材料上下二侧施压，使上加热板与膜电极阴极表面接触，进行预压；预压过程的温度为60
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200℃；预压压力为0
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50磅/cm2；所述预压时间为1
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600s；预压合过程的温度优选80
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180℃；预压压力为优选0
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20磅/cm2，优选0
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10磅/cm2；所述预压时间优选1
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300s；
[0012]B、压合：提高压合设备的压合力，取下压合完毕的膜电极；压合过程的温度为30
‑
200℃；压力为10
‑
500磅/cm2；所述压合过程时间为10
‑
1200s；压合过程的温度为优选40
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180℃；压力为15
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400磅/cm2，优选20
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300磅/cm2；所述压合过程时间为15
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1000s。
[0013]压合与预压合过程的温度相同或不同。
[0014]所述限位模具为一平板，平板中部为膜电极材料的放置区，于膜电极材料的放置区四周设置有环型突起，环型突起围绕于放置区四周，于环型突起上设有通孔或贯穿突起内外壁面的凹槽，作为液体透过孔道。
[0015]所述限位模具为6
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12mm厚平板，环型突起的内壁面与放置膜电极材料区域之间的距离为5
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100mm，环型突起的高度为0.4
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1.5mm，优选0.5
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1.2mm，较优选0.55
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0.95mm。
[0016]平板的形状和尺寸依据膜电极的形状和尺寸改变；
[0017]通孔或凹槽的底部位于平板所在的平面上；
[0018]压合后的膜电极的厚度与环型突起的高度相同或略高于环型突起的高度，可通过调变模具环型突起的高度(环型突起远离平板表面的平面与平板表面间的距离)调变压合后的膜电极的厚度。
[0019]步骤(1)中所述膜为采用后浸渍法制备的聚苯并咪唑掺杂磷酸膜或者采用溶胶凝胶法制备的聚苯并咪唑/H3PO4膜，聚苯并咪唑的分子结构如下所示中的一种或二种以上聚合物：
[0020][0021][0022][0023]其中n和m各自为大于或等于50的整数，优选大于或等于100的整数，较优选200
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3000的整数。
[0024]所述阳极、阴极和膜的靠近外边缘的四周环状区域分别与一聚合物密封材料相贴接；内边缘尺寸小于阳极、阴极和膜的尺寸，聚合物密封材料的外边缘的尺寸大于或等于阳极、阴极和膜的外边缘的尺寸。聚合物密封材料的内边缘形状和尺寸与电池的有效面积相同或相当。
[0025]所述聚合物密封材料为聚酰亚胺、FEP表面涂覆的聚酰亚胺(Kapton)、氟化聚乙烯丙烯、全氟烷氧基化合物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜中的一种或二种以上，优选聚酰亚胺、FEP涂覆的聚酰亚胺(Kapton)、聚砜中的一种或二种以上；
[0026]所述的制备方法制备获得的膜电极。
[0027]所述的膜电极在高温聚合物电解质膜燃料电池、浓差电池、温差电池或氢泵中的应用。
[0028]膜电极中的电极与膜中酸量及其分布定量：采用非原位方法模拟膜电极压合过程，将膜放置于滤纸中间，采用相同于膜电极的压合条件对其进行压合，通过测定压合前后膜的失重与膜中保留的酸与水定量压合后膜电极中酸在膜与电极中的量与分布情况(滴定测量方法)。
[0029]膜电极组装单池性能测试：将上述制备的膜电极放置于两个密封垫中间或者叠放于一个密封垫上，然后将密封垫与膜电极放置于带有进气口、出气口、螺栓插入口、热偶口与加热部分的由金属端板与带有流场的极板组成的测试夹具之间。其中进气口、出气口分布于极板与端板上，热偶口在极板之上，螺栓插入口与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤，(1)膜电极的组合放置：将膜电极材料阳极、膜、以及阴极依次层叠放置；(2)膜电极压合制备：包括预压合与压合两个步骤，A、预压合：先将膜电极的限位模具置于热压合设备的下加热板上预加热，然后再将步骤(1)中组合放置的膜电极材料放置于已经预加热的模具上，使得阴极靠近压合设备的上加热板一侧放置；或者先将步骤(1)中组合放置的膜电极材料放置于模具上，然后再将放置了组合放置的膜电极的模具放置于压合设备下加热板上，使得阴极靠近压合设备的上加热板一侧放置；通过压合设备对膜电极材料上下二侧施压，使上加热板与膜电极阴极表面接触，进行预压；预压过程的温度为60
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200℃；预压压力为0
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50磅/cm2；所述预压时间为1
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600s；B、压合：提高压合设备的压合力，取下压合完毕的膜电极；压合过程的温度为30
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200℃；压力为10
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500磅/cm2；所述压合过程时间为10
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1200s。2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：预压合过程的温度优选80
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180℃；预压压力为优选0
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20磅/cm2，优选0
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10磅/cm2；所述预压时间优选1
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300s；压合过程的温度为优选40
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180℃；压力为15
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400磅/cm2，优选20
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300磅/cm2；所述压合过程时间为15
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1000s。3.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：压合与预压合过程的温度相同或不同。4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述限位模具为一平板，平板中部为膜电极材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素力，杨丛荣，孙公权，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：