[發明專利]共價有機框架材料用于燃料電池自增濕膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201911346600.2
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111129529B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 蘇華能;解政;張瑋琦;徐謙
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M8/1004
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及低溫膜燃料電池，特別涉及共價有機框架材料用于燃料電池自增濕膜電極，至少包括氣體擴散層、催化層和質子交換膜，在質子交換膜一側設有摻雜負載磷酸的共價有機框架材料的催化層，另一側設有含Pt催化劑的催化層，氣體擴散層貼附于催化層表面，熱壓固化而成；其中，所述氣體擴散層為多孔纖維碳紙或碳布，厚度為0.10～0.37mm，孔隙率為50～80%；所述催化層，包含催化層粘結劑及鉑黑、碳負載鉑或碳負載鉑合金催化劑中的任一種；所述質子交換膜為厚度5～150μm的高分子聚合物膜。本發明制備方法簡單，所制得自增濕膜電極可以在低濕度條件下有著優異的性能，良好的穩定性，簡化了膜電極的制備，提高電池在高濕度時的性能。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及低溫膜燃料電池，特別涉及一種共價有機框架材料用于燃料電池自增濕膜電極及其制備方法。

背景技術

在全球礦物能源日益緊張和環境問題日益嚴峻的今天，氫能和燃料電池技術的研究受到全球范圍內的高度重視。聚電解質膜燃料電池(PEMFC)作為最新一代燃料電池，具有比能量高、工作溫度低、環境友好、可在室溫下快速啟動、壽命長等優點，是移動設備和便攜式設備的理想電源，具有極其廣闊的應用前景。

PEMFC是一種能量轉換裝置，它可以將儲存在燃料中的化學能直接轉化成電能的裝置。燃料電池不同于熱機，不涉及機械能的轉換，它不受卡諾循環的限制，理論上的熱電聯供效率可達90％左右。電極和膜電極是燃料電池的核心部件，是進行能量轉換的最終場所，決定著電池的性能、壽命和成本。全氟磺酸聚合物的低溫燃料電池是PEMFC中最成功的一類，盡管全氟磺酸聚合物作為一種超強酸具有極強的質子傳導率，但是其質子傳輸能力嚴重依賴于水合程度。通常PEMFC系統需要對進入反應氣進行加濕，以保證全氟磺酸聚合物在膜和催化層中的良好水合狀態，從而維持膜和電極內高質子傳輸效率。因此一般要采用外部增濕的方式對質子交換膜進行增濕。而外部增濕需要使用增濕輔助設備，無疑進一步增加了電池系統的成本、質量、體積及復雜性，同時也造成電池的質量比功率和體積比功率下降，進而影響燃料電池的商業化發展。因此，出現了PEMFC的自增濕技術，實現PEMFC的自增濕可以簡化系統的結構、減小系統的體積及重量、減少系統本身的能耗及提高燃料電池系統的能量輸出效率、降低燃料電池系統的成本，有利于實現質子交換膜燃料電池的商業化。

目前關于自增濕的文獻專利較多，專利CN201811350943.1公開了“一種用于燃料電池的自增濕膜陰極雙催化層”，是將原本的Pt/C陰極催化層改用Pt/C催化層和Fe-N/S/C催化層形成陰極雙層結構。其中，Fe-N/S/C催化層由于其較高的比表面積和發達的孔隙網絡，能夠保存燃料電池陰極反應生成的水，實現在低濕工況下對膜電極的保濕作用；同時，Pt/C催化層可以分解過氧化氫，抑制Fe-N/S/C催化劑的分解與衰減，提高膜電極的穩定性。在該專利中，由于使用兩種不同的催化劑，會使制備工序復雜化，且Fe-N/S/C催化劑不穩定，勢必會隨時間分解進而對電池性能和耐久性產生不利的影響。

共價有機框架材料是一類具有豐富空隙結構的碳骨架材料，可利用共價有機框架材料作為親水性材料來保水，進一步地將磷酸浸入其孔結構內又可以更好地提高質子傳導能力。在膜電極制作過程中，摻雜負載磷酸的共價有機框架材料，一方面可以提高催化層的質子傳導能力，提高電池的性能；另一方面，也可以保住低濕度條件下電極中的水分，有效實現燃料電池自增濕性能。

發明內容

針對上述現有技術中存在的不足，本發明的目的是提高燃料電池自增濕性能，保證燃料電池可以在反應氣體低濕件下穩定工作，提供了在陽極催化層添加共價有機框架材料以實現燃料電池自增濕膜。

技術方案：