一种跨温区膜电极及其质子交换膜燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种跨温区膜电极及其质子交换膜燃料电池，膜电极包括阳极催化层、阴极催化层、质子交换膜、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层和密封部件；阳极催化层和阴极催化层中同时含有含氟离子交换树脂、载体、负载在载体上的催化剂活性组分、抗反极材料；阳极催化层和阴极催化层中各组分所占的质量百分比为：含氟离子交换树脂1

【技术实现步骤摘要】
一种跨温区膜电极及其质子交换膜燃料电池
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][0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，具体地说是一种具有跨温区(跨冰点和跨沸点)工作能力的膜电极及其质子交换膜燃料电池。
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技术介绍
][0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、清洁、环境友好的发电装置，在电动汽车、分散电站、潜艇及航天器等领域具有广阔的应用前景。目前，PEMFC广泛使用的是以Nafion为代表的全氟磺酸质子交换膜和全氟磺酸树脂，由于受限于磺酸基团质子传导和理化特征的影响，这类PEMFC在100℃以上的温度或者低湿环境下运行时，质子传导困难，因而燃料电池性能较低。此外，工作温度的局限使得它在实际运行时面临CO耐受性差、系统水管理困难、催化剂活性低等问题。为了解决目前燃料电池面临的难题，如增强催化剂抗CO中毒的能力，提高催化剂活性和耐久性，改善系统水淹问题，最有效可行的办法就是将燃料电池运行温度提高到100℃以上，即高温质子交换膜燃料电池(HT
‑
PEMFC)。
[0003]鉴于高温质子交换膜燃料电池诱人的发展前景，国内外已经广泛开展了HT
‑
PEMFC关键材料的研究工作，包括高温质子交换膜、高温离子交换树脂、催化剂、载体等，并取得了一系列的研究成果，尤其是在高温质子交换膜领域。目前高温质子交换膜的研究主要集中在磷酸掺杂聚苯并咪唑(PBI)上(CN 111244513A)，这类膜制备过程简单，高温质子传导能力强，但是存在低温工作效率低无法快速启动，稳定性差，寿命短等缺点。尽管房建华(CN 200710171866.9，CN 200710171865.4，CN 200710171867.3)和李忠芳等通过对PBI主链上的端氨基进行交联保护，缓解了高温质子膜的降解问题，但是低温冷启动问题仍然没有得到改善。
[0004]为了克服高温燃料电池的低温冷启动问题，本技术构建出全氟磷酸/磺酸结构共存的质子交换膜和聚合物树脂。根据磺酸基团和磷酸基团的质子传导原理和理化特性，全氟磺酸质子膜和树脂可以在
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40～80℃的温度范围内传导质子，而温度超过100℃时，质子传导能力明显降低，无法满足离子传导的需求。而全氟磷酸质子膜和树脂在100～150℃可以有效传导质子，当温度低于100℃时，质子传导困难。全氟磷酸/磺酸共存结构的构建可以同时弥补全氟磺酸结构质子膜和树脂无法高温运行的缺点，以及全氟磷酸质子膜和树脂无法低温运行的缺点，实现
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40～150℃宽服役温度。因此，本专利技术的实施将能够形成革命性的氢燃料电池技术，推动全球氢能应用领域的深刻变革。
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技术实现思路
][0005]本专利技术的目的就是要解决上述的不足而提供一种跨温区膜电极，其在高温和低温环境下都具有高的质子传导性，同时具有良好的机械性能和长寿命，由其组装的燃料电池和燃料电池电堆不仅在
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40～0℃的范围内实现冷启动，还在100～150℃高温区具有良好的发电性能、较高的抗CO中毒能力。
[0006]为实现上述目的设计一种跨温区膜电极，包括阳极催化层、阴极催化层、质子交换
膜、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层和密封部件；所述阳极催化层和阴极催化层中同时含有含氟离子交换树脂、载体、负载在载体上的催化剂活性组分、抗反极材料，含氟离子交换树脂用于传导质子，载体用于传导电子，负载在载体上的催化剂活性组分用于催化电化学反应的进行；所述阳极催化层和阴极催化层中各组分所占的质量百分比为：含氟离子交换树脂的质量百分比为1
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80wt％，载体的质量百分比为10
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99wt％，负载在载体上的催化剂活性组分的质量百分比为0.1
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60wt％，抗反极材料的质量百分比为0
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10wt％；质子交换膜包括含氟离子交换树脂和多孔纤维聚合物基体，阳极气体扩散层和阴极气体扩散层均包括多孔基底层和微孔层。
[0007]进一步地，所述阳极催化层、阴极催化层、质子交换膜三者中的含氟离子交换树脂均为A、B两种组分的一种或多种通过一定比例共混得到的：A.含氟离子交换树脂中同时含有磺酸和磷酸基团；B.含有磺酸基团的含氟磺酸树脂与/或含有磷酸基团的含氟磷酸树脂通过一定比例共混得到；所述阴极催化层的厚度0.05
‑
200um，优选1
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30um，其中催化剂活性组分的载量为0.001
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20mg/cm2，优选0.1
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1mg/cm2；所述阳极催化层的厚度0.05
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200um，优选0.5
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20um，其中催化剂活性组分的载量为0.001
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20mg/cm2，优选0.01
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0.5mg/cm2。
[0008]进一步地，所述阳极催化层和阴极催化层中的载体为导电碳材料、导电陶瓷材料的一种或多种组合；其中，导电碳材料选自但不限于炭黑、科琴黑、乙炔黑、Vulcan carbon、多孔碳、碳纳米管、碳纳米球、碳纳米角、石墨烯、碳纳米纤维、碳片及其异质原子掺杂后的碳材料的一种或多种组合，异质原子不限于S、N、P、B；导电陶瓷材料包括过渡金属氧化物、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物的一种或多种；过渡金属氧化物选自但不限于氧化钛、二氧化锡、氧化锆、氧化铱、氧化钨、氧化锌、氧化铝、二氧化铈、氧化镍、氧化镁、氧化钼、二氧化锰、氧化镧及其碱土金属或稀土金属单掺杂、双掺杂或多掺杂后的氧化物的一种或多种组合；过渡金属碳化物选自但不限于碳化钛、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽、碳化钴、碳化铁、碳化铬、碳化钒、碳化铪及其碱土金属或稀土金属单掺杂、双掺杂或多掺杂后的碳化物等的一种或多种组合；过渡金属氮化物选自但不限于氮化钛、氮化锆、氮化钨、氮化钼、氮化钽、氮化钴、氮化铁、氮化铬、氮化钒、氮化铪及其碱土金属或稀土金属单掺杂、双掺杂或多掺杂后的氮化物等的一种或多种组合。
[0009]进一步地，所述阳极催化层和阴极催化层中的催化剂活性组分为Pt基催化剂、非Pt基催化剂中的一种或多种；Pt基催化剂包括Pt和PtM合金，其中PtM合金中的M选自但不限于Co、Ni、Ru、Pd、Rh、Au、Ag、V、Ti、W、Ir、Fe、Cr、Cu、Mn、Al中的一种或多种；非Pt基催化剂包括金属、单金属原子和非金属，其中金属催化剂多为过渡金属，选自但不限于Co、Ni、Ru、Pd、Rh、Au、Ag、V、Ti、W、Ir、Fe、Cr、Cu、Mn、Al中的一种或多种，单金属原子催化剂分子式写为M
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N/S/P
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C，M多为过渡金属，选自但不限于Co、Ni、Ru、Pd、Rh、Au、Ag、V、Ti、W、Ir、Fe、Cr、Cu、Mn、Al中的一种或多种，非金属催化剂选自但不限于碳材料和异质原子掺杂后的碳材料的一种或多种；阳极催化层中的抗反极材料选自但不限于二氧化依、二氧化钌、二氧化铈、氧化镍中的一种或者多种。
[0010]进一步地，所述阳极催化层和阴极催化层的制备方法包括以下步骤：将含氟离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨温区膜电极，其特征在于：包括阳极催化层、阴极催化层、质子交换膜、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层和密封部件；所述阳极催化层和阴极催化层中同时含有含氟离子交换树脂、载体、负载在载体上的催化剂活性组分、抗反极材料，含氟离子交换树脂用于传导质子，载体用于传导电子，负载在载体上的催化剂活性组分用于催化电化学反应的进行；所述阳极催化层和阴极催化层中各组分所占的质量百分比为：含氟离子交换树脂的质量百分比为1
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80wt％，载体的质量百分比为10
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99wt％，负载在载体上的催化剂活性组分的质量百分比为0.1
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60wt％，抗反极材料的质量百分比为0
‑
10wt％；质子交换膜包括含氟离子交换树脂和多孔纤维聚合物基体，阳极气体扩散层和阴极气体扩散层均包括多孔基底层和微孔层。2.如权利要求1所述的跨温区膜电极，其特征在于：所述阳极催化层、阴极催化层、质子交换膜三者中的含氟离子交换树脂均为A、B两种组分的一种或多种通过一定比例共混得到的：A.含氟离子交换树脂中同时含有磺酸和磷酸基团；B.含有磺酸基团的含氟磺酸树脂与/或含有磷酸基团的含氟磷酸树脂通过一定比例共混得到；所述阴极催化层的厚度0.05
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200um，优选1
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30um，其中催化剂活性组分的载量为0.001
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20mg/cm2，优选0.1
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1mg/cm2；所述阳极催化层的厚度0.05
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200um，优选0.5
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20um，其中催化剂活性组分的载量为0.001
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20mg/cm2，优选0.01
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0.5mg/cm2。3.如权利要求1所述的跨温区膜电极，其特征在于：所述阳极催化层和阴极催化层中的载体为导电碳材料、导电陶瓷材料的一种或多种组合；其中，导电碳材料选自但不限于炭黑、科琴黑、乙炔黑、Vulcan carbon、多孔碳、碳纳米管、碳纳米球、碳纳米角、石墨烯、碳纳米纤维、碳片及其异质原子掺杂后的碳材料的一种或多种组合，异质原子不限于S、N、P、B；导电陶瓷材料包括过渡金属氧化物、过渡金属碳化物、过渡金属氮化物的一种或多种；过渡金属氧化物选自但不限于氧化钛、二氧化锡、氧化锆、氧化铱、氧化钨、氧化锌、氧化铝、二氧化铈、氧化镍、氧化镁、氧化钼、二氧化锰、氧化镧及其碱土金属或稀土金属单掺杂、双掺杂或多掺杂后的氧化物的一种或多种组合；过渡金属碳化物选自但不限于碳化钛、碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽、碳化钴、碳化铁、碳化铬、碳化钒、碳化铪及其碱土金属或稀土金属单掺杂、双掺杂或多掺杂后的碳化物等的一种或多种组合；过渡金属氮化物选自但不限于氮化钛、氮化锆、氮化钨、氮化钼、氮化钽、氮化钴、氮化铁、氮化铬、氮化钒、氮化铪及其碱土金属或稀土金属单掺杂、双掺杂或多掺杂后的氮化物等的一种或多种组合。4.如权利要求1所述的跨温区膜电极，其特征在于：所述阳极催化层和阴极催化层中的催化剂活性组分为Pt基催化剂、非Pt基催化剂中的一种或多种；Pt基催化剂包括Pt和PtM合金，其中PtM合金中的M选自但不限于Co、Ni、Ru、Pd、Rh、Au、Ag、V、Ti、W、Ir、Fe、Cr、Cu、Mn、Al中的一种或多种；非Pt基催化剂包括金属、单金属原子和非金属，其中金属催化剂多为过渡金属，选自但不限于Co、Ni、Ru、Pd、Rh、Au、Ag、V、Ti、W、Ir、Fe、Cr、Cu、Mn、Al中的一种或多种，单金属原子催化剂分子式写为M
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N/S/P
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C，M多为过渡金属，选自但不限于Co、Ni、Ru、Pd、Rh、Au、Ag、V、Ti、W、Ir、Fe、Cr、Cu、Mn、Al中的一种或多种，非金属催化剂选自但不限于碳材料和异质原子掺杂后的碳材料的一种或多种；阳极催化层中的抗反极材料选自但不限于二氧化依、二氧化钌、二氧化铈、氧化镍中的一种或者多种。5.如权利要求1所述的跨温区膜电极，其特征在于：所述阳极催化层和阴极催化层的制备方法包括以下步骤：将含氟离子交换树脂溶液、催化剂、抗反极材料、去离子水、有机物溶
液等共混后，经过磁力搅拌、水浴超声、超声棒、剪切乳化、均质、球磨中的一种或多种工艺处理后得到均匀分散的催化剂浆料，然后通过喷涂、线棒涂覆、刮涂、狭缝涂布、窗口涂布、卷对卷涂布、浸渍中的一种制备出阳极催化层和阴极催化层；该制备方法中物料配比如下：催化剂浆料固含量为0.1
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70wt％，优选为2
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50wt％；其中全氟离子树脂和载体的质量比为0.05
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5，优选为0.1
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2；有机物和水的质量比为1:99
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70:30，优选为1:99
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50:50；抗反极材料的质量比为0
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10wt％，优选为0
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1wt％；该制备方法中的有机物溶液为甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、正丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇、正戊醇、2
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乙基己醇、环己醇、N
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甲基吡咯烷酮、N,N
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二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或者多种共混组成。6.如权利要求1所述的跨温区膜电极，其特征在于：所述质子交换膜的多孔纤维聚合物基体所用材料选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯
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六氟丙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯
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丙烯共聚物、聚醚砜、聚醚酮、聚酰亚胺、聚苯并咪唑及其磺化、磷酸化衍生物的一种或多种；所述质子交换膜的厚度为5
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300um，多孔纤维聚合物基体厚度为2
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30um，多孔前卫聚合物基体使用层数为0
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30层，多孔纤维聚合物基体为0层时为均...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴素朋，
申请(专利权)人：裴素朋，
类型：发明
国别省市：