[發(fā)明專利]一種絮狀表面聚苯并咪唑膜電極的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310407609.6
• 申請(qǐng)日: 2013-09-09
• 公開（公告）號(hào): CN103490079A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王樹博;謝曉峰;胡劍鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);江蘇新輝煌重工有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/02
• 分類號(hào): H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 北京眾合誠成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種絮狀表面聚苯并咪唑膜電極的制備方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)今，化石能源日趨枯竭且環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，氫氧/氫空質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，將氫氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，在發(fā)電過程中只排出水，基于該燃料電池，可生產(chǎn)新能源汽車、建立分布式電站，是一種可緩解能源和環(huán)境問題的無污染綠色新能源發(fā)電電池。

目前，氫氧/氫空質(zhì)子交換膜燃料電池以全氟磺酸膜為固體電解質(zhì)，工作溫度100℃以下且依賴水的存在而發(fā)電，電池系統(tǒng)需要復(fù)雜的水管理和熱管理模塊，對(duì)氫氣純度要求高。而以聚苯并咪唑PBI為固體電解質(zhì)的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池，可工作在150℃且不依賴于水而發(fā)電，可去除電池系統(tǒng)的水管理模塊和簡(jiǎn)化熱管理模塊、放寬對(duì)氫氣純度的要求，且有希望在高溫條件下使用更低載量的Pt催化劑甚至使用非Pt催化劑。基于上述PBI高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)，其受到越來越多的關(guān)注，成為有望實(shí)際應(yīng)用的下一代氫氧/氫空質(zhì)子交換膜燃料電池，極具發(fā)展前途。

膜電極，由陰陽極擴(kuò)散層、陰陽極催化層和質(zhì)子交換膜組成，是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心發(fā)電部件。膜電極在發(fā)電過程中的控制步驟是陰極氧還原過程，陰極氧還原過程電化學(xué)反應(yīng)阻抗的大小直接影響膜電極的極化程度，進(jìn)而影響電池的功率密度。質(zhì)子交換膜表面平整，從而其有效面積即為表觀面積，通過改善膜表面的形貌，提高膜表面的比表面積，可增大催化層與膜之間的接觸面積，從而增加催化層的活性面積，提高催化劑的利用率及氧還原反應(yīng)速率，降低陰極氧還原電化學(xué)反應(yīng)阻抗，增大電池的功率密度。

本發(fā)明涉及一種具有絮狀表面形貌的PBI質(zhì)子交換膜及膜電極制備技術(shù)，首先使用PBI的溶液作為鑄膜液流延成膜，其次利用PBI不溶解于去離子水、乙醇、異丙醇的性質(zhì)，應(yīng)用沉淀法將PBI的溶液滴加到上述非PBI的溶劑的液體中，初步制備PBI聚合物的絮狀沉淀分散液，再經(jīng)分離步驟并重新分散于PBI的非溶劑液體中，從而制備成PBI的絮狀沉淀分散液，作為絮狀表面二次流延的鑄膜液。該絮狀表面膜層，形態(tài)上為PBI的絮狀沉淀顆粒，具備與PBI膜相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和質(zhì)子傳導(dǎo)率，從而通過在PBI膜的表面設(shè)計(jì)制備該P(yáng)BI絮狀表面膜層，可顯著增大PBI膜的比表面積，將陰極催化層制備于該絮狀表面，進(jìn)而提高了陰極催化層與膜的接觸面積，最終使得膜電極的陰極氧還原阻抗顯著降低而提高該燃料電池的發(fā)電功率密度。

發(fā)明內(nèi)容

現(xiàn)有的具有高比表面積膜的制備技術(shù)主要通過靜電噴絲技術(shù)、電旋涂法涂布以及利用微孔模板法（例如申請(qǐng)?zhí)枮?00510110439.0、200510081014.1、201210197931.6、201210197930.1等專利）來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用這些方法對(duì)設(shè)備有一定要求，如需要在5～50千伏的電壓下制備高比表面積質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層或需要應(yīng)用微孔模板法來流延成型。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種絮狀表面聚苯并咪唑膜電極的制備方法。

本發(fā)明專利所提供的制備具有絮狀表面形貌結(jié)構(gòu)的PBI膜的方法是利用PBI這種質(zhì)子導(dǎo)電聚合物僅溶解于高沸點(diǎn)溶劑而不溶解于低沸點(diǎn)溶劑的特點(diǎn)，將聚合物的甲烷磺酸溶液滴加入超聲攪拌中的低沸點(diǎn)溶劑液體（如：去離子水、乙醇、異丙醇等）中，由于聚合物的甲烷磺酸溶液中的聚合物溶質(zhì)不溶解于該低沸點(diǎn)溶劑，則聚合物即會(huì)從其原甲烷磺酸溶液當(dāng)中析出，而析出的聚合物所形成的絮狀沉淀均勻分散在該低沸點(diǎn)溶劑當(dāng)中，再經(jīng)分離去除甲烷磺酸溶劑并重新分散在的非溶劑液體中，從而制備成聚合物的絮狀沉淀分散液。將該絮狀沉淀分散液二次流延于膜的表面，從而制備成具有絮狀表面形貌的比表面積較大的高溫質(zhì)子交換膜。以絮狀表面層作為陰極側(cè)，應(yīng)用CCM（Catalyst?Coated?Membrane）法將催化層制備在膜的表面，最后將上述制備的CCM經(jīng)熱壓、磷酸浸漬等步驟最終制備成膜電極。

本發(fā)明專利所述的方法不僅限于舉例中的絮狀表面膜及膜電極的制備，根據(jù)PBI聚合物溶解的特殊性，依據(jù)本專利所提供的方法可以拓展至其他PBI絮狀表面膜及膜電極的制備。

一種絮狀表面聚苯并咪唑膜電極的制備方法，其具體步驟如下：

（1）將聚合物粉料在100～200℃條件下溶解于甲烷磺酸中，將聚合物的甲烷磺酸溶液作為鑄膜液，流延成膜；

（2）使用與步驟（1）相同的聚合物的甲烷磺酸溶液，通過沉淀法制備絮狀聚合物沉淀的分散液；

（3）在步驟（1）得到的聚合物膜的一側(cè)表面上進(jìn)行步驟（2）得到的聚合物絮狀分散液的二次流延，從而制備具有絮狀表面結(jié)構(gòu)的聚合物膜；