[發明專利]一種磺化聚芳醚酮作為粘結劑在質子交換膜燃料電池的膜電極中的應用、膜電極及制備方法

在審

• 申請號: 202110256080.7
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113161557A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 趙成吉;普星彤;段宇廷;李佳霖
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/1004
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 瞿曉晶

本發明屬于燃料電池技術領域，特別涉及一種磺化聚芳醚酮作為粘結劑在質子交換膜燃料電池的膜電極中的應用。在本發明中，所述磺化聚芳醚酮作為粘結劑，能夠完全溶解于低沸點溶劑，避免了高沸點溶劑溶解粘結劑后高沸點溶劑去除困難，導致高沸點溶劑在催化劑層大量殘留而造成對催化劑的毒害的問題；以所述磺化聚芳醚酮作為催化劑層的粘結劑，有利于提高催化劑層與質子交換膜的界面相容性，可以構筑優良的燃料氣、水和催化劑三相反應界面，使催化劑層中的質子傳遞、物質運輸和電荷轉移順暢進行，同時磺化聚芳醚酮的質子傳導率優良，保障了質子在質子交換膜燃料電池催化劑層的高效傳遞，進而極大的提高了質子交換膜燃料電池的功率。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，特別涉及一種磺化聚芳醚酮作為粘結劑在質子交換膜燃料電池的膜電極中的應用、膜電極及制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池具有能量效率和能量密度高、體積重量小、冷啟動時間短和運行安全可靠的優點，而且由于使用的電解質膜為固態，可避免電解質腐蝕，廣泛應用于汽車工業、能源發電、船舶工業、航空航天和家用電源等行業。

質子交換膜燃料電池的核心部件是其中的膜電極，主要由質子交換膜、催化層以及氣體擴散層組成。在氣體催化層中含有粘結劑，粘結劑與催化劑、電極載體、質子交換膜以及進入膜電極中的氣體和水接觸，將質子從陽極催化劑層內部轉移到陰極催化劑層/質子交換膜界面，并從膜/陰極催化劑層界面轉移到陰極催化劑層內部，直接影響著膜電極中氧還原反應和氫氧化反應所需的質子傳輸；同時粘結劑使催化劑層和質子交換膜緊密結合，影響著催化劑層和質子交換膜之間的界面電阻。因此，質子交換膜燃料電池中優良的粘結劑需要滿足以下幾方面要求：具有較高的質子傳導率且與質子交換膜有良好的界面相容性。

目前的粘結劑中，全氟磺酸粘結劑質子傳導率較高，但粘結劑與質子交換膜界面相容性差；烴類化合物粘結劑能夠滿足粘結劑與質子交換膜良好界面相容的問題，但質子傳導率低、電化學活性面積小。綜合全氟磺酸粘結劑和烴類粘結劑的結構和優點，研究人員提出了磺化芳香烴粘結劑，但大多數磺化芳香烴只溶于高沸點溶劑，不溶于粘結劑分散體系中廣泛使用的低沸點的水/醇混合物溶劑。在電極制備過程中，由于高沸點的溶劑難以完全去除而導致吸附在催化劑表面的溶劑殘留物較多，降低了電極電化學活性面積，不利于質子交換膜燃料電池良好電化學性能的獲得。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種磺化聚芳醚酮作為粘結劑在質子交換膜燃料電池的膜電極中的應用，所述磺化聚芳醚酮作為粘結劑應用于質子交換膜燃料電池中，可以實現粘結劑在低沸點溶劑中良好溶解分散，進而有利于在粘結劑與催化劑混合制備電池電極時徹底去除催化劑表面附著的低沸點溶劑，提高質子交換膜燃料電池的電化學性能。

為了實現上述發明的目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種磺化聚芳醚酮作為粘結劑在質子交換膜燃料電池中的應用，所述磺化聚芳醚酮的單體單元為第一單體單元和第二單體單元，所述第一單體單元具有式I所示結構：

所述第二單體單元具有式II所示結構：

所述第一單體單元和第二單體單元的摩爾比≥1。

優選的，所述磺化聚芳醚酮的磺化度為0.5～1.5。

優選的，所述磺化聚芳醚酮的重均分子量為40000～140000g/mol。

優選的，所述磺化聚芳醚酮在25℃時的質子傳導率≥50mS/cm。

優選的，所述質子交換膜燃料電池包括直接甲醇燃料電池或氫空燃料電池。

優選的，所述磺化聚芳醚酮位于膜電極的催化劑層。