一种膜电极的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种膜电极的制备方法，包括：将阴离子交换膜设置在阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极之间进行原位交联处理，得到膜电极；所述阴离子交换膜、阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极中的阴离子交换树脂相同；所述阴离子交换树脂带有能够进行交联的基团。与现有技术相比，本发明专利技术提供的膜电极的制备方法使阴离子交换膜和气体扩散电极中的阴离子交换树脂发生交联，形成一个整体，不但可以提高催化层与阴离子交换膜相界面的结合力以及膜电极的机械强度，还能够大大降低阴阳极催化层和阴离子交换膜间OH

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极的制备方法
本专利技术涉及电池
，尤其涉及一种膜电极的制备方法。
技术介绍
化石能源的逐渐枯竭和日益严重的温室效应使得人类不得不正视自己面临的生存环境，如何在保证当前经济发展的前提下防止环境污染和温室效应的加剧，是本世纪人类需要解决的一大重要问题。燃料电池因其可以使用清洁能源，而且具有能效高等优点被广泛研究。离子交换膜燃料电池作为一种低温电池，因结构简单、操作温度低，被作为新一代的能动机。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)在过去十年间受到了学术界的密切关注，也得到了一定的发展。但是由于质子交换膜燃料电池使用的离子交换膜和催化剂造价高，使其推广受到了大大的限制。正是由于这种条件限制，使得与质子交换膜燃料电池相似的碱性燃料电池(AEMFC)逐渐进入电池界的视野。由于碱性燃料电池中的传导离子是OH-，因此允许碱性燃料电池使用非贵金属作为催化剂，这使其大大降低了成本，以期成为质子交换膜燃料电池的替代品。但是由于OH-的离子迁移速率只有H+的三分之一，使得碱性燃料电池比质子交换膜燃料电池的能量密度要低。因此，如何降低电池内阻，提高OH-在离子交换膜中的传导速率，是提高碱性燃料电池性能的重要途径之一。膜电极(MEA)作为碱性燃料电池的重要部件，是电池反应的主要场所，不但负责离子传输，还提供电子传导。其中，离子交换膜与催化剂层的接触至关重要。膜电极的好坏直接影响到碱性燃料电池的性能。从质子交换膜燃料电池到碱性燃料电池，广大学者都在致力于通过改进膜电极来提高电池性能。德国《先进材料》(AdvancedMaterials,2015,27,2974–2980)报道了一种膜/催化剂咬合型界面膜电极的制备方法。具体方法为，在磺化聚醚砜(SPAES)膜表面制作一层有着规则排列小柱的微图案表面，然后利用Nafion基催化剂墨水在其表面形成一层平整且一致的nafion层。随着温度的提高，nafion会变软，在热压状态下允许硬的SPAES小柱压入到软的nafion层，形成近似于乐高积木的咬合界面。因此，nafion层扮演了界面粘附层(IBL)的角色，它可以将CL连接到带花印的磺化聚醚砜SPAES(P-SPAES)上。在水合膨胀下榫/槽界面处产生巨大的法向力，从而产生较高的剥离强度，由此来提高界面结合力。这种方法虽然加大了催化层在离子交换膜上的粘附力，但是属于物理结合，且磺化聚醚砜层和nafion层的相容性不好，仍然存在脱落的可能，而且离子传输慢，传质电阻大，无法有效提高燃料电池的性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种膜电极的制备方法和燃料电池，本专利技术提供的方法制备得到的膜电极界面结合力高而且电化学性能较好。本专利技术提供了一种膜电极的制备方法，包括：将阴离子交换膜设置在阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极之间进行原位交联处理，得到膜电极；所述阴离子交换膜、阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极中含有相同的阴离子交换树脂；所述阴离子交换树脂带有能够进行交联的基团。在本专利技术中，所述阴离子交换膜优选由阴离子交换树脂制备得到；所述阴离子交换树脂带有能够进行交联的基团。本专利技术对所述阴离子交换膜的来源没有特殊的限制，可由市场购买获得，也可按照本领域技术人员熟知的制膜方法将阴离子交换树脂制备成膜，如将带有能够进行交联的基团的阴离子交换树脂溶液涂覆在基底上烘干，得到阴离子交换膜。在本专利技术中，所述阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极的结构相同，优选包括：气体扩散层；设置在气体扩散层表面的催化剂层，所述催化剂层含有阴离子交换树脂；所述阴离子交换树脂与上述阴离子交换膜中的阴离子交换树脂的成分相同。本专利技术对所述气体扩散层的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的燃料电池中的气体扩散层即可，如可采用碳纸作为气体扩散层，可由市场购买获得。在本专利技术中，所述阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极的制备方法相同，优选为：将催化剂浆料涂覆在气体扩散层表面，得到阴极气体扩散电极或阳极气体扩散电极；所述催化剂浆料包括：催化剂、溶剂和阴离子交换树脂，所述阴离子交换树脂与上述阴离子交换膜中的阴离子交换树脂成分相同。在本专利技术中，所述催化剂优选为铂基催化剂、低铂催化剂或非铂催化剂；所述铂基催化剂优选为铂碳；所述低铂催化剂优选为铂钌碳；所述非铂催化剂优选为铁氮碳或镍氮碳。在本专利技术中，所述溶剂优选为正丙醇、异丙醇、乙醇、甲醇、去离子水、四氢呋喃、氯仿、丁醇、丙酮和乙二醇中的一种或几种。在本专利技术中，所述催化剂与溶剂的质量比优选为1:(15～100)，更优选为1:(20～80)，最优选为1:(30～60)；所述催化剂与阴离子交换树脂的质量比优选为(50～95)：(50～5)，更优选为(60～90)：(40～10)，最优选为(70～80)：(30～20)。在本专利技术中，所述阴离子交换树脂优选为带有能够进行交联的基团的季胺类阴离子交换树脂、带有能够进行交联的基团的咪唑类阴离子交换树脂、带有能够进行交联的基团的季磷类阴离子交换树脂、带有能够进行交联的基团的季锍类阴离子交换树脂、带有能够进行交联的基团的螺环类阴离子交换树脂、带有能够进行交联的基团的胍基类阴离子交换树脂、带有能够进行交联的基团的三唑类阴离子交换树脂、带有能够进行交联的基团的吡啶类阴离子交换树脂或带有能够进行交联的基团的吡咯类阴离子交换树脂。在本专利技术中，所述阴离子交换树脂中带有的能够进行交联的基团优选为炔基、碳碳双键、巯基、叠氮基、苄溴基、酚羟基、胺基或咪唑基。本专利技术对所述带有能够进行交联的基团的阴离子交换树脂的种类和来源没有特殊的限制，可由市场购买获得，也可采用本领域技术人员熟知的可用于燃料电池的阴离子交树脂和具有上述能够进行交联的基团的化合物进行反应制备得到。如通过溴化聚合物和甲基丙烯酸二甲胺乙酯反应得到；所述溴化聚合物包括溴化聚苯醚、溴化聚醚酮、溴化聚醚醚酮或溴化聚砜。在本专利技术中，所述带有能够进行交联的基团的阴离子交换树脂优选为季铵化聚苯醚(QPPO)。本专利技术对所述涂覆的方法没有特殊的限制，可以采用本领域技术人员熟知的高压喷涂、静电吸附、印刷、3D打印的方法进行涂覆。在本专利技术中，可以将催化剂浆料涂覆在气体扩散层的一个表面，也可以涂覆在气体扩散层的上下两个表面。在本专利技术中，所述涂覆完成后优选待催化剂浆料中的溶剂完全挥发、自然冷却，即可得到阳极气体扩散电极或阴极气体扩散电极。在本专利技术中，进行所述交联之前，优选将阴离子交换膜、阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极置于碱性溶液中浸泡，然后进行干燥，以利于将阴离子交换膜和催化层中的阴离子交换树脂转变为OH-型。在本专利技术中，所述碱性溶液优选为氢氧化钠水溶液；所述碱性溶液的浓度优选为0.5～1.5mol/L，更优选为1mol/L。在本专利技术中，所述浸泡的时间优选为8～12小时，更优选为9～10小时。在本专利技术中，所述干燥的方法优选为自然阴干，更优选在保护性气体的条件下进行自然阴干；所述保护性气体优选为氮气或氩气。在本专利技术中，进行所述交联之前优选将阴离子交换膜设置于阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极之间然后压紧；所述压紧的压力优选为0.5～1.5MPa，更优选为0.8～1.2MPa，最优选为1MPa。在本专利技术中，所述阴离子交换膜与阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜电极的制备方法，包括：将阴离子交换膜设置在阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极之间进行原位交联处理，得到膜电极；所述阴离子交换膜、阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极中含有相同的阴离子交换树脂；所述阴离子交换树脂带有能够进行交联的基团。

【技术特征摘要】
1.一种膜电极的制备方法，包括：将阴离子交换膜设置在阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极之间进行原位交联处理，得到膜电极；所述阴离子交换膜、阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极中含有相同的阴离子交换树脂；所述阴离子交换树脂带有能够进行交联的基团。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极的制备方法为：将催化剂浆料涂覆在气体扩散层表面，得到阴极气体扩散电极或阳极气体扩散电极；所述催化剂浆料包括：催化剂、溶剂和阴离子交换树脂；所述阴离子交换树脂与所述阴离子交换膜中的阴离子交换树脂相同。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述交联处理之前，还包括：将阴离子交换膜设置在阴极气体扩散电极和阳极气体扩散电极之间然后进行压紧处理，所述压紧处理的压力为0.5～1.5MPa。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将阴离子交换膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐铜文，梁铣，吴亮，徐迈，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34