[發(fā)明專利]包含自交聯離子聚合物的膜電極組件及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111755725B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設計）人: 張維;項君君
• 申請（專利權）人: 鄂爾多斯市國科能源有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/88;H01M4/92;H01M4/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種膜電極組件，包括陽極、陰極以及設置在陽極與陰極之間的聚合物電解質膜，所述陽極和陰極分別包括催化層和氣體擴散層，所述催化層包括催化劑、導電碳材料和離子聚合物；其特征在于，所述離子聚合物具有交聯結構，所述膜電極組件的制備方法包括以下步驟：

1）將催化劑、導電碳材料和全氟磺酰氟樹脂均勻分散在溶劑中，然后通入氨氣，使所述全氟磺酰氟樹脂中的磺酰氟基團轉化為磺酰胺基團，形成前體分散液；所述全氟磺酰氟樹脂為端基為磺酰氟基團的全氟乙烯基醚的均聚物；所述全氟磺酰氟樹脂的質量與全氟磺酰氟樹脂中磺酰氟基團的摩爾量之比小于600g/mol；

2）向所述前體分散液中加入所述端基為磺酰氟基團的全氟乙烯基醚的二聚體以及三甲胺或三乙胺，微波處理使得所述全氟磺酰氟樹脂發(fā)生交聯反應，接著調節(jié)反應液pH至3~5，得到催化層分散液；

3）將所述催化層分散液應用在聚合物電解質膜上，形成催化劑涂層膜，將催化劑涂層膜夾在兩片碳紙之間，形成膜電極組件；

所述端基為磺酰氟基團的全氟乙烯基醚的分子式為CF₂＝CFOCF₂(CF₂)_nSO₂F，其中，n=1~5；

步驟2）中加入的所述端基為磺酰氟基團的全氟乙烯基醚的二聚體與步驟1）中加入的所述全氟磺酰氟樹脂的質量比為1:20~25；步驟2）中加入的所述三甲胺或三乙胺與步驟1）中加入的所述全氟磺酰氟樹脂的質量比為1:12~15；

步驟2）還包括在將調節(jié)反應液pH至2~5后加入還原型谷光甘肽或三勝肽，使所述催化層中還原型谷光甘肽或三勝肽的含量為5mg/cm²~20mg/cm²。

2.根據權利要求1所述的膜電極組件，其特征在于，所述全氟磺酰氟樹脂的質量與全氟磺酰氟樹脂中磺酰氟基團的摩爾量之比為300g/mol~550g/mol。

3.根據權利要求1所述的膜電極組件，其特征在于，步驟1）中，所述溶劑為N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲亞砜和乙腈中的一種或多種的組合與異丙醇和水的混合溶劑。

4.根據權利要求1所述的膜電極組件，其特征在于，步驟2）中，所述微波處理的頻率為1.5~2GHz，輸出功率為800~1500W，處理時間為60~90分鐘。

5.根據權利要求1所述的膜電極組件，其特征在于，步驟3）中，所述催化層中離子聚合物的含量為20wt%~25wt%，陽極催化層中鉑載量為0.1~0.2mg/cm²，陰極催化層中鉑載量為0.3~0.5mg/cm²，導電碳材料的含量為0.1~1mg/cm²。

6.一種制備權利要求1~5中任意一項所述的膜電極組件的方法，其特征在于，所述膜電極組件的制備方法包括以下步驟：

1）將催化劑、導電碳材料和全氟磺酰氟樹脂均勻分散在溶劑中，然后通入氨氣，使所述全氟磺酰氟樹脂中的磺酰氟基團轉化為磺酰胺基團，形成前體分散液；所述全氟磺酰氟樹脂為端基為磺酰氟基團的全氟乙烯基醚的均聚物；所述全氟磺酰氟樹脂的質量與全氟磺酰氟樹脂中磺酰氟基團的摩爾量之比小于600g/mol；

2）向所述前體分散液中加入所述端基為磺酰氟基團的全氟乙烯基醚的二聚體以及三甲胺或三乙胺，微波處理使得所述全氟磺酰氟樹脂發(fā)生交聯反應，接著調節(jié)反應液pH至3~5，得到催化層分散液；

3）將所述催化層分散液應用在聚合物電解質膜上，形成催化劑涂層膜，將催化劑涂層膜夾在兩片碳紙之間，形成膜電極組件。