【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，涉及高温膜燃料电池，特别涉及一种可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极及制备方法。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池是一种基于氢气和氧气(通常是空气中的氧气)的电化学反应产生电能的装置。质子交换膜燃料电池由于不受卡诺循环的限制而能量转化效率比传统的能源转换系统效率高，且排放物环保无污染而受到人们的广泛关注，关键部件是质子交换膜和两边的催化层以及气体扩散层组成的膜电极，电池的性能也主要由膜电极承担。
2、常规的质子交换膜燃料电池运行温度在60-80℃，氢气纯度要求高，杂质耐受度低，具有复杂的水热管理系统，显著增加了运行成本。为了解决这些难题，一条可行的途径便是提高电池的操作温度，高温质子交换膜燃料电池便应势而生。高温质子交换膜燃料电池co耐受度高，由于反应气体不需要额外增湿，反应物生成气态水，不需要复杂的水热管理系统，降低运行成本，减少能耗。因此，高温质子交换膜燃料电池将成为质子交换膜燃料电池的重要前沿发展方向之一。
3、高温质子交换膜燃料电池最常使用掺杂磷酸的聚苯并咪唑膜作为质子交换膜，磷酸掺杂量直接影响膜的质子传导性能。然而磷酸与聚苯并咪唑之间结合力差，长时间运行过程中磷酸会从质子交换膜溢出到催化剂层，吸附在铂催化剂表面，尤其是在高电流密度下，大量磷酸覆盖铂的活性位点，造成铂的利用率低，这种现象称之为磷酸毒化现象。另外，氧气在磷酸中的溶解度低，扩散困难，催化层中氧气传输性能差，造成氧分子无法与铂纳米粒子有效接触，这两点导致铂的氧还原动力学缓慢，制约着高温质子交换膜燃料电池的发展。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极及其制备方法，通过向催化层浆料中引入咪唑基离子液体制备电极，所选用的咪唑基离子液体具有远高于磷酸的氧溶解度，有效提高了膜电极中氧气的传输性能，同时，咪唑基离子液体的加入还有效缓解了磷酸在催化剂颗粒表面的吸附，从而减轻了其对催化剂的钝化作用，进一步增强了电池的放电性能。
2、本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极，由气体扩散层和催化层组成，催化层中掺杂具有高氧溶解度的咪唑基离子液体。
4、上述方案中，咪唑基离子液体在催化层中的质量分数为10％～50％；所述咪唑基离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和1-丁基-2、3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种。
5、上述方案中，气体扩散层为多孔纤维碳纸或者碳布，厚度为0.25～0.30mm，孔隙率为50～75％。
6、可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极的制备方法，包括如下步骤：
7、步骤一)气体扩散层的制备：将多孔纤维碳纸或者碳布在沸腾的有机溶剂中洗涤，去除表面杂质；然后在憎水剂中浸泡12～25分钟，在70℃下干燥60～120分钟，置入马弗炉中进行320～400℃的烧结30～60分钟，形成憎水层；接着将碳粉均匀负载于憎水层表面，碳粉的负载量为2～3mg cm-2，在70℃下干燥60～120分钟，再次置于马弗炉中进行320～400℃的烧结30～60分钟，得到憎水层质量分数为15～25％的气体扩散层；
8、步骤二)催化层的制备：将咪唑基离子液体与有机溶剂混合，咪唑基离子液体与有机溶剂的比例为2mg/ml～5mg/ml，进行第一步超声均匀分散，分散时间为20～30分钟，得到分散有咪唑基离子液体的溶液；将所得分散有咪唑基离子液体的溶液分别与催化层粘结剂、pt/c催化剂、有机溶剂混合，进行第二步超声均匀分散，分散时间为2～3小时，得到催化层浆料；
9、步骤三)将步骤二得到的催化层浆料喷涂于步骤一制备的气体扩散层表面，70℃下干燥60～120分钟，再次置于马弗炉370～400℃，烧结30～60分钟，得到掺杂咪唑基离子液体催化层和电极整体。
10、上述方案中，，步骤二中催化层粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种，所用有机溶剂为乙醇，异丙醇，乙二醇，丙酮中的一种。
11、上述方案中，步骤二所制备催化层浆料中咪唑基离子液体、粘结剂、pt/c催化剂和有机溶剂的质量比例为1～3:0.2～1:1～3:5～10。
12、上述方案中，步骤一中有机溶剂为丙酮、异丙醇或乙醇；憎水剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
13、上述方案中，步骤二中催化层粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；催化层粘结剂与催化剂的质量比为(0.15～0.2)：(0.85～0.9)。
14、一种增强催化层氧气传输性能的高温膜燃料电池膜电极的制备方法，上述制备方法制备的两片掺杂咪唑基离子液体的催化层和电极整体与质子交换膜在100～120℃，3～4mpa，热压5～10min，制得高温膜燃料电池膜电极。
15、上述方案中，质子交换膜的处理：将质子交换膜浸入质量分数为85％的浓磷酸中，110～140℃处理1～3h，得到磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜或者聚芳香胺苯并咪唑膜。
16、有益效果：
17、本专利技术通过向催化层浆料中加入咪唑基离子液体做成的膜电极，一方面增加了膜电极中氧气的传输性能，提升电池的放电性能。另一方面缓解了磷酸的毒化作用，延长电池的寿命。
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1.一种可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极，其特征在于，由气体扩散层和催化层组成，催化层中掺杂具有高氧溶解度的咪唑基离子液体。
2.根据权利要求1所述的可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极，其特征在于，咪唑基离子液体在催化层中的质量分数为10％～50％；所述咪唑基离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和1-丁基-2、3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种。
3.根据权利要求1所述的可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极，其特征在于，气体扩散层为多孔纤维碳纸或者碳布，厚度为0.25～0.30mm，孔隙率为50～75％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤二中催化层粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种，所用有机溶剂为乙醇，异丙醇，乙二醇，丙酮中的一种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤二所制备催化层浆料中咪唑基离子液体
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤一中有机溶剂为丙酮、异丙醇或乙醇；憎水剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤二中催化层粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；催化层粘结剂与催化剂的质量比为(0.15～0.2)：(0.85～0.9)。
9.一种增强催化层氧气传输性能的高温膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，将权利要求4制备方法制备的两片掺杂咪唑基离子液体的催化层和电极整体与质子交换膜在100～120℃，3～4MPa，热压5～10min，制得高温膜燃料电池膜电极。
10.根据权利要求9所述的膜电极的制备方法，其特征在于，质子交换膜的处理：将质子交换膜浸入质量分数为85％的浓磷酸中，110～140℃处理1～3h，得到磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜或者聚芳香胺苯并咪唑膜。
...【技术特征摘要】
1.一种可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极，其特征在于，由气体扩散层和催化层组成，催化层中掺杂具有高氧溶解度的咪唑基离子液体。
2.根据权利要求1所述的可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极，其特征在于，咪唑基离子液体在催化层中的质量分数为10％～50％；所述咪唑基离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐和1-丁基-2、3-二甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐中的一种。
3.根据权利要求1所述的可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极，其特征在于，气体扩散层为多孔纤维碳纸或者碳布，厚度为0.25～0.30mm，孔隙率为50～75％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可增强氧气传输性能的高温膜燃料电池电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤二中催化层粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种，所用有机溶剂为乙醇，异丙醇，乙二醇，丙酮中的一种。
6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘青青，苏华能，刘会园，张玮琦，徐谦，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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