基于熔融质子导体电解质膜的膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于熔融质子导体电解质膜的膜电极及其制备方法，所述膜电极的制备方法，包括如下步骤：步骤S1、制备聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜；步骤S2、配制含质子导体的催化剂浆料，然后在气体扩散层的微孔层一侧涂覆含质子导体的催化剂浆料，烘干获得气体扩散层上附有含质子导体的催化层的气体扩散电极；步骤S3、将气体扩散电极放置在步骤S1的聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜的两侧组装成燃料电池膜电极。通过在催化剂浆料中引入质子导体，可以实现质子导体在气体扩散电极催化层中均匀分布，形成连续的质子传输通道，降低催化层内的质子传输阻力，从而提升膜电极的电输出性能。电极的电输出性能。电极的电输出性能。

【技术实现步骤摘要】
基于熔融质子导体电解质膜的膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种基于熔融质子导体电解质膜的膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池作为一种能量转换装置，可以通过膜电极中的电化学反应将燃料中化学能直接转化为电能。相比常规工作在100℃以下的低温质子交换膜燃料电池(LT
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PEMFC)，工作于100
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250℃的高温质子交换膜燃料电池(HT
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PEMFC)具有特殊优势：(1)膜电极抗CO毒化能力显著提高；(2)电化学反应活性增加，催化效率提高；(3)水和热管理系统简化。HT
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PEMFC具有巨大的应用潜力和市场价值。
[0003]燃料电池中的电解质膜决定了燃料电池的工作温度，其中聚苯并咪唑(PBI)掺杂磷酸(H3PO4)高温质子交换膜为HT
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PEMFC中常用的质子交换膜。PBI掺杂磷酸高温质子交换膜中，质子导体为磷酸，从室温到工作温度(180℃)均为液态，特别在低温时，液态磷酸易于流失；而且，溶胀率高达200
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300％，机械强度显著下降，仅为13.6MPa。
[0004]另一方面，中国专利CN107331883A与公开文献1(A proton conductor electrolyte based on molten CsH5(PO4)2for intermediate
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temperature fuel cells,RSC Advanves,2018,8,5225
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5232)报道了PBI掺杂熔融质子导体电解质膜及其制备方法，其中所掺杂的质子导体(CsH5(PO4)2、KH5(PO4)2)室温为固态，温度高于熔点则转变为液态熔融体，该熔融体具有高质子电导率，并且因为在熔点以下为固态，不易发生流失；同时PBI掺杂熔融质子导体膜，溶胀率低，可保持良好机械强度，相比PBI掺杂磷酸高温质子交换膜，PBI掺杂熔融质子导体电解质膜的拉伸强度提高7倍。但是，基于熔融质子导体电解质膜的膜电极的峰值输出功率密度不超过120mW/cm2，没有展现出预期的良好燃料电池输出性能，原因在于其采用常规基于PBI掺杂磷酸高温质子交换膜的膜电极制备方法，在气体扩散电极的催化层中，同样不含质子导体，而是仅含催化剂和粘结剂(兼有疏水剂作用)，期望通过掺杂于电解质膜中的熔融质子导体能够像磷酸一样扩散到催化层，提供质子传导，但是熔融质子导体粘度远大于液态磷酸，难以像磷酸一样扩散到催化层中，使得催化层中缺乏质子导体，导致非常低的燃料电池电输出性能，这也成为了该技术产业应用的一大阻碍。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中存在的基于PBI掺杂熔融质子导体电解质膜制备的燃料电池膜电极的催化层中缺乏质子导体的问题，本专利技术提供一种基于熔融质子导体电解质膜的膜电极制备方法。
[0006]该方法通过将含有质子导体的催化剂浆料涂覆在气体扩散层表面得到含质子导体气体扩散电极，然后将含质子导体气体扩散电极，贴合于PBI掺杂熔融质子导体电解质膜两侧，制备膜电极，改善了催化层内质子传输，降低了催化层与电解质膜界面间的界面阻力，有效提高了燃料电池膜电极的电输出性能，并且简化工艺流程，提高膜电极制备效率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于熔融质子导体电解质膜的膜电极制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、制备聚苯并咪唑(PBI)掺杂熔融质子导体电解质膜；
[0009]步骤S2、配制含质子导体的催化剂浆料，然后在气体扩散层的微孔层一侧涂覆含质子导体的催化剂浆料，烘干获得气体扩散层上附有含质子导体的催化层的气体扩散电极；
[0010]步骤S3、将气体扩散电极放置在聚苯并咪唑(PBI)掺杂熔融质子导体电解质膜的两侧组装成燃料电池膜电极。
[0011]步骤S1中，所述聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜的制备方法如下：
[0012]1)将熔融质子导体以高于其熔点0
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30℃的温度熔化，使其转为熔融态质子导体；
[0013]2)将聚苯并咪唑膜浸泡于熔融态质子导体中浸泡，浸泡结束后将聚苯并咪唑膜取出，除去膜表面过量的质子导体，得到聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜。
[0014]所述熔融质子导体为，MH5(PO4)2，其中M为Cs或K。
[0015]优选地，步骤S1中，所述聚苯并咪唑(PBI)掺杂熔融质子导体电解质膜的制备方法如下：
[0016]1)将MH5(PO4)2(M为Cs或K)以高于其熔点0
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30℃的温度熔化，使其转为熔融态质子导体；
[0017]2)将聚苯并咪唑膜浸泡于熔融态质子导体中，浸泡时间为6
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72h，浸泡时间结束后将聚苯并咪唑膜取出，除去膜表面过量的质子导体，得到聚苯并咪唑(PBI)掺杂熔融质子导体电解质膜。
[0018]优选地，步骤S2中，所述催化剂浆料包括：含磷酸的催化剂浆料和/或含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料；
[0019]当所述催化剂浆料为含磷酸的催化剂浆料和含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料时，在所述气体扩散层的微孔层一侧先涂覆含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料，然后涂覆含磷酸的催化剂浆料。
[0020]所述含磷酸的催化剂浆料包括：催化剂、粘结剂、磷酸、去离子水、醇。
[0021]所述含磷酸的催化剂浆料制备方法为：将催化剂、粘结剂、磷酸、去离子水、醇按照质量比为1：0.01～0.1：0.1～1：1～10：5～50混合，超声搅拌得到含磷酸的催化剂浆料；其中粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)、PBI、聚偏二氟乙烯(PVDF)中的一种或多种；醇为乙醇、甲醇、异丙醇、正丙醇中的一种或多种；催化剂为碳载铂催化剂，其中铂与碳载体的质量比为(1
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9)：(9
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1)。
[0022]所述含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料包括：催化剂、粘结剂、磷酸与熔融质子导体、去离子水。
[0023]所述含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料的制备方法为：将催化剂、粘结剂、磷酸与熔融质子导体、去离子水按照质量比为1：0.01～0.1：0.1～1：5～50混合，超声搅拌得到含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料；其中磷酸与熔融质子导体的质量比为1：1～10；所述粘结剂为PTFE、PBI、PVDF中的一种或多种；催化剂为碳载铂催化剂，其中铂与碳载体的质量比为(1
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9)：(9
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1)。所述熔融质子导体为MH5(PO4)2，其中，M为Cs或K。
[0024]含磷酸与熔融质子导体(MH5(PO4)2(M为Cs或K))的催化剂浆料的关键在于，催化剂
浆料中不含醇，因为醇会导致MH5(PO4)2析出结晶。
[0025]优选地，所述的燃料电池膜电极的制备方法，步骤S2中，烘干是指在60
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200℃干燥。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、制备聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜；步骤S2、配制含质子导体的催化剂浆料，然后在气体扩散层的微孔层一侧涂覆含质子导体的催化剂浆料，烘干后获得气体扩散层上附有含质子导体的催化层的气体扩散电极；步骤S3、将气体扩散电极放置在步骤S1的聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜的两侧组装成燃料电池膜电极。2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜的制备方法如下：1)将熔融质子导体以高于其熔点0
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30℃的温度熔化，使其转为熔融态质子导体；2)将聚苯并咪唑膜浸泡于熔融态质子导体中，浸泡结束后将聚苯并咪唑膜取出，除去膜表面过量的质子导体，得到聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜。3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述催化剂浆料包括：含磷酸的催化剂浆料和/或含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料；当所述催化剂浆料为含磷酸的催化剂浆料和含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料时，在所述气体扩散层的微孔层一侧先涂覆含磷酸与熔融质子导体的催化剂浆料，然后涂覆含磷酸的催化剂浆料。4.根据权利要求3所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述含磷酸的催化剂浆料包括：催化剂、粘结剂、磷酸、去离子水、醇。5.根据权利要求4所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述含磷酸的催化剂浆料的制备方法为：将催化剂、粘结剂、磷酸、去离子水、醇按照质量比为1：0.01～0.1：0.1～1：1～10：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海滨，邢以晶，李一凡，付志永，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：