一种用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法，该膜电极具有离聚物层，为依次由导电基底、催化层、离聚物层、高温质子交换膜、离聚物层、催化层、导电基底组成的多层结构，其中离聚物层以聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物作为主成分，掺杂碳粉或其衍生物中的一种或多种导电剂形成复合材料，在催化层表面形成离聚物层。本发明专利技术中膜电极通过引入离聚物层的结构控制以磷酸为代表的电解质分布，构建更多的三相界面位点，具有高峰值功率密度和高电流密度，制备过程简单且成本低廉，应用于各类高温质子交换膜燃料电池的膜电极，具有大规模生产应用潜力。具有大规模生产应用潜力。具有大规模生产应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于电极材料领域，具体涉及一种用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]利用氢气、甲醇、乙醇以及烃类等化合物作为燃料，在120
‑
200℃下工作的高温质子交换膜燃料电池能在膜电池内进行氧化还原反应，并有效地将燃料的化学能转化为电能和热能。与低温质子交换膜燃料电池相比，具有对CO等杂质燃料更高的耐受性，更快的反应动力学和更简单的水管理系统，因此易于实现集成化系统，进而推动大规模应用，作为发电装置具有十分巨大的优势和应用前景。
[0003]虽然高温质子交换膜燃料电池具有良好的前景，但是该技术仍然有亟需解决的缺陷，如较低的功率密度、较低的电池寿命等。由于高温质子交换膜燃料电池中，质子膜的电导率并不来源于水，而是来源于在磷酸。因此，在电池组装前，通常对高温质子交换膜进行磷酸浸泡处理，使其具有一定的电导率。然而，在组装及长时间运行时，磷酸会大量流失，造成催化剂中毒以及高温质子交换膜电导率下降，进而造成功率密度下降。文献(International Journal of Hydrogen Energy,2020,45,1008
‑
1017)报道一种具有三层聚苯并咪唑结构的高温质子交换膜，用于控制高温质子交换膜燃料电池的电解质的分布，活化后在0.2A cm
‑2电流加载的单电池测试后维持在0.65V，峰值功率为359mW cm
‑2。文献(Nano Energy,2021,93,106829)报道一种具有单层石墨烯的膜电极结构，用于控制高温质子交换膜燃料电池的电解质分布，活化后在0.49A cm
‑2电流加载的单电池测试后维持在0.60V，峰值功率为470mW cm
‑2。中国专利(公开号CN105742649B)公开一种高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，通过在压装成膜电极前对气体扩散电极提前进行酸处理，以达到更好地控制电解质的分布。此方法下，0.6V时的电流密度为0.3A cm
‑2，峰值功率为302mW cm
‑2。
[0004]综上所述，当前文献报道以及已经披露的专利中，用于高温燃料电池的膜电极主要通过结构设计控制电解质的分布，但仍存在较低的电流密度和峰值功率密度，需进一步提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提供一种用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，在催化层和高温质子交换膜之间增加离聚物层。
[0006]本专利技术的另一目的是提供所述用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极的制备方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，其为依次由导电基底、催化层、离聚物层、高温质子交换膜、离聚物层、催化层、导电基底组成的多层结构，其中所
述离聚物层以聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物作为主成分，掺杂碳粉或其衍生物中的一种或多种导电剂形成复合材料，在所述催化层表面形成所述离聚物层。
[0009]作为优选，所述离聚物层中聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物的担载量为0.1～0.5mg cm
‑2。
[0010]作为优选，所述导电基底为具有气体扩散层和/或微孔层的碳纸或碳布。
[0011]作为优选，所述催化层为通过沉积工艺形成的Pt基催化剂与疏水性粘合剂形成的复合材料，其中所述疏水性粘合剂与Pt基催化剂的质量比为1：5
‑
20，所述疏水性粘合剂选自聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯。
[0012]作为优选，所述高温质子交换膜为酸处理的聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物。
[0013]本专利技术还提供所述用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)以水、或乙醇、或异丙醇中的一种或多种任意比例的混合物作为分散剂，加入Pt基催化剂粉末作为活性成分，以及聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯的悬浮液作为粘结剂，所得混合浆料超声5
‑
120min，得到催化剂浆料；
[0015](2)步骤(1)所得催化剂浆料采用空气喷涂、或静电喷涂、或超声喷涂、或刮涂法、或丝网印刷法、或辊压法涂覆至导电基底上，在60
‑
80℃干燥0.5
‑
4h，得到具有催化层的导电基底；
[0016](3)步骤(2)所得具有催化层的导电基底放置在200
‑
400℃条件下烧结1
‑
5h并取出，得到气体扩散电极；
[0017](4)以二甲基甲酰胺、或二甲基乙酰胺、或二甲基亚砜、或N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮中的一种或多种任意比例的混合物作为分散剂，加入聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物，固体和液体的质量比为1：20～500，混合溶液在100
‑
250℃中加热直至聚合物完全溶解，得到有机溶液；
[0018](5)采用空气喷涂、或静电喷涂、或超声喷涂、或刮涂法、或丝网印刷法、或辊压法将步骤(4)所得有机溶液涂覆至所述催化层表面，在80
‑
160℃中干燥0.5
‑
3h，得到离聚物层；
[0019](6)将厚度为10
‑
35微米的聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物薄膜在80
‑
120℃条件下浸泡在磷酸、或盐酸、或硫酸中的一种或者多种任意比例的混合物中0.5
‑
10h，得到高温质子交换膜；
[0020](7)依次放置所述气体扩散电极、所述高温质子交换膜和所述气体扩散电极形成三明治结构，在100
‑
150℃和0.1
‑
0.4MPa的条件下热压1
‑
8min，得到膜电极。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0022]1、本专利技术提出用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，其具有离聚物层，与该现有的同类产品相比具有高峰值功率密度和高电流密度的明显优势，制备过程简单且成本低廉，可应用于各类高温质子交换膜燃料电池的膜电极，具有大规模生产应用潜力。
[0023]2、离聚物层的基本材料与高温质子交换膜材料基本相似或相同，无需引入新的材料，成本较低。
[0024]3、针对目前用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极存在较低的电流密度和功率
密度的问题，通过引入离聚物层的结构控制以磷酸为代表的电解质分布，构建更多的三相界面位点，防止磷酸等电解质过量入侵催化层带来的中毒现象，以及维持高温质子交换膜内的磷酸等电解质含量，从而提高高温质子交换膜燃料电池的单电池功率密度和电流密度。
附图说明
[0025]图1为实施例1、2和3得到的膜电极作为单电池的极化曲线和功率密度曲线。
[0026]图2为实施例4和5得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，其特征在于，所述膜电极具有离聚物层，为依次由导电基底、催化层、离聚物层、高温质子交换膜、离聚物层、催化层、导电基底组成的多层结构，其中所述离聚物层以聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物作为主成分，掺杂碳粉或其衍生物中的一种或多种导电剂形成复合材料，在所述催化层表面形成所述离聚物层。2.根据权利要求1所述用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，其特征在于，所述离聚物层中聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物的担载量为0.1～0.5mg cm
‑2。3.根据权利要求1所述用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，其特征在于，所述导电基底为具有气体扩散层和/或微孔层的碳纸或碳布。4.根据权利要求1所述用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，其特征在于，所述催化层为通过沉积工艺形成的Pt基催化剂与疏水性粘合剂形成的复合材料，其中所述疏水性粘合剂与Pt基催化剂的质量比为1：5
‑
20，所述疏水性粘合剂选自聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯。5.根据权利要求1所述用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极，其特征在于，所述高温质子交换膜为酸处理的聚苯并咪唑或其衍生物中的一种或多种聚合物。6.权利要求1至5任一项所述用于高温质子交换膜燃料电池的膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以水、或乙醇、或异丙醇中的一种或多种任意比例的混合物作为分散剂，加入Pt基催化剂粉末作为活性成分，以及聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯的悬浮液作为粘结剂，所得混合浆料超声5
‑
120min，得到催化剂浆料；(2)步骤(1)所得催化剂浆料采用空气喷涂、或静电喷涂、或超声喷涂、或刮涂法、或丝网印刷法、或辊压法涂覆至导电基...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯长春，罗健斌，章俊良，庄小东，蒋文星，万琦琪，何锦宜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：