[發明專利]包含自交聯離子聚合物的膜電極組件及其制備方法

有效

• 申請號: 202010540699.6
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111755725B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（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
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• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種膜電極組件，其制備方法包括：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，通入氨氣，形成前體分散液；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；2)向前體分散液中加入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，微波處理使得全氟磺酰氟樹脂發生交聯反應，接著調節反應液pH至3～5，得到催化層分散液；3)將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。本發明的膜電極組件具有較好的催化層的均勻性和穩定。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種包含自交聯離子聚合物的膜電極組件及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種將燃料的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的裝置，具有清潔無污染、能量轉化效率高、能量密度高等優點，在交通運輸、信號基站等領域具有廣闊的應用前景。

燃料電池的核心零部件主要包括膜電極組件(MEA)和雙極板，其中膜電極組件由兩側裝配有陽極催化層和陰極催化層的聚合物電解質膜以及氣體擴散層組成。雙極板包括陽極板和陰極板，陽極板和陰極板分別設置有流道，且陽極板和陰極板分別與MEA兩側的氣體擴散層接觸。氫氣從陽極一側進入單元燃料電池，在催化劑的作用下分離為質子和電子，質子穿過聚合物電解質膜到達陰極并與氧氣結合，在催化劑的作用下生成水；無法穿過質子交換膜的電子會從燃料電池中流出進入外電路，產生電能。

膜電極組件(MEA)中的催化層(包括陽極催化層和陰極催化層)通常分別包括離子聚合物、催化劑和導電碳材料。催化層中的離子聚合物一方面可作為的離子基團為質子交換位點。由于燃料電池內的電化學反應需要反應氣體、質子和催化劑參與，并對氣體、質子和電子進行有效傳輸，燃料電池內的電化學反應需要發生在催化層的三相反應界面(反應氣體、催化劑和傳導質子的水)，因此離子聚合物與催化劑和導電碳材料的均勻混合顯得尤為重要。

比較成熟的催化層的制備方法包括將含有混合均勻的離子聚合物、催化劑和導電碳材料的催化劑墨水通過絲網印刷、噴涂或轉印的方式應用到聚合物電解質膜上。離子聚合物中，平均每摩爾酸性離子基團對應的質量(即離子聚合物質量/酸性離子基團數量，equivalent weight，單位為g/mol)對離子聚合物在催化劑墨水中的分散情況有較大影響。如果平均每摩爾酸性離子基團對應的質量過高，離子聚合物親水性較低，在催化劑墨水中不易與催化劑以及導電碳材料充分混合均勻，會導致催化層中的三相反應界面分布不夠均勻，影響氣體、質子和電子傳導效率以及電化學反應效率；如果平均每摩爾酸性離子基團對應的質量過低，離子聚合物在水中的溶解度較大，由于燃料電池是在有水的環境下運行，容易導致整個催化層不穩定。

另外，由于單個燃料電池的輸出電壓較低，為了向外電路輸出較大的工作電壓，在實際應用中，通常將多個燃料電池堆疊串聯在一起，形成可以輸出較高電壓的燃料電池電堆。一般來說，能夠進行商業化應用的燃料電池電堆需要具有不低于5000小時的使用壽命，且能夠經受足夠多次數的啟動和關機操作。在進行啟動和關機操作時，空氣容易擴散到陽極，導致電堆中單個或多個燃料電池電壓快速降低甚至電壓成為負值；另外，由于各種因素導致的燃料電池氫氣供應不足也容易導致電池電壓快速降低甚至電壓成為負值。當出現這種情況時，需要停止整個電堆運行，更換或修復電壓異常的電池，以防止整個電堆受損。因此，尋找耐受異常電壓的膜電極組件尤為重要。

發明內容

本發明的目的是提供一種包含自交聯離子聚合物的膜電極組件及其制備方法，提高燃料電池的運行效率和耐穩定性。

技術方案：本發明提供一種膜電極組件，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，陽極和陰極分別包括催化層和氣體擴散層，催化層包括催化劑、導電碳材料和離子聚合物；離子聚合物具有交聯結構，膜電極組件的制備方法包括以下步驟：