一种絮状表面聚苯并咪唑膜电极的制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池技术领域，特别涉及一种絮状表面聚苯并咪唑膜电极的制备方法。本发明专利技术制备方法是：将PBI聚合物溶解制备铸膜液并流延成膜；配置絮状PBI聚合物分散液；在上述已流延PBI膜的上表面进行该絮状分散液的二次流延，从而制备具有絮状表面形貌的PBI膜；采用CCM法制备膜电极，在具有絮状表面结构PBI膜的一侧制备阴极催化层，在不具有絮状表面结构的另一侧制备阳极催化层；经过热压、磷酸浸渍等步骤制备成基于PBI的高温膜燃料电池膜电极。本发明专利技术所得絮状表面结构的PBI高温质子交换膜能够有效提高膜的比表面积、增大高温质子交换膜燃料电池功率密度。基于该PBI高温膜的质子交换膜燃料电池，以氢气为燃料，可在150℃、无水存在条件下稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于燃料电池
，特别涉及。本专利技术制备方法是：将PBI聚合物溶解制备铸膜液并流延成膜；配置絮状PBI聚合物分散液；在上述已流延PBI膜的上表面进行该絮状分散液的二次流延，从而制备具有絮状表面形貌的PBI膜；采用CCM法制备膜电极，在具有絮状表面结构PBI膜的一侧制备阴极催化层，在不具有絮状表面结构的另一侧制备阳极催化层；经过热压、磷酸浸渍等步骤制备成基于PBI的高温膜燃料电池膜电极。本专利技术所得絮状表面结构的PBI高温质子交换膜能够有效提高膜的比表面积、增大高温质子交换膜燃料电池功率密度。基于该PBI高温膜的质子交换膜燃料电池，以氢气为燃料，可在150℃、无水存在条件下稳定运行。【专利说明】
本专利技术属于燃料电池
，特别涉及。
技术介绍
现今，化石能源日趋枯竭且环境污染日趋严重，氢氧/氢空质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，将氢气中的化学能转换为电能，在发电过程中只排出水，基于该燃料电池，可生产新能源汽车、建立分布式电站，是一种可缓解能源和环境问题的无污染绿色新能源发电电池。目前，氢氧/氢空质子交换膜燃料电池以全氟磺酸膜为固体电解质，工作温度100°C以下且依赖水的存在而发电，电池系统需要复杂的水管理和热管理模块，对氢气纯度要求高。而以聚苯并咪唑PBI为固体电解质的高温质子交换膜燃料电池，可工作在150°C且不依赖于水而发电，可去除电池系统的水管理模块和简化热管理模块、放宽对氢气纯度的要求，且有希望在高温条件下使用更低载量的Pt催化剂甚至使用非Pt催化剂。基于上述PBI高温质子交换膜燃料电池的特点，其受到越来越多的关注，成为有望实际应用的下一代氢氧/氢空质子交换膜燃料电池，极具发展前途。膜电极，由阴阳极扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜组成，是质子交换膜燃料电池的核心发电部件。膜电极在发电过程中的控制步骤是阴极氧还原过程，阴极氧还原过程电化学反应阻抗的大小直接影响膜电极的极化程度，进而影响电池的功率密度。质子交换膜表面平整，从而其有效面积即为表观面积，通过改善膜表面的形貌，提高膜表面的比表面积，可增大催化层与膜之间的接触面积，从而增加催化层的活性面积，提高催化剂的利用率及氧还原反应速率，降低阴极氧还原电化学反应阻抗，增大电池的功率密度。本专利技术涉及一种具有絮状表面形貌的PBI质子交换膜及膜电极制备技术，首先使用PBI的溶液作为铸膜液流延成膜，其次利用PBI不溶解于去离子水、乙醇、异丙醇的性质，应用沉淀法将PBI的溶液滴加到上述非PBI的溶剂的液体中，初步制备PBI聚合物的絮状沉淀分散液，再经分离步骤并重新分散于PBI的非溶剂液体中，从而制备成PBI的絮状沉淀分散液，作为絮状表面二次流延的铸膜液。该絮状表面膜层，形态上为PBI的絮状沉淀颗粒，具备与PBI膜相同的化学结构和质子传导率，从而通过在PBI膜的表面设计制备该PBI絮状表面膜层，可显著增大PBI膜的比表面积，将阴极催化层制备于该絮状表面，进而提高了阴极催化层与膜的接触面积，最终使得膜电极的阴极氧还原阻抗显著降低而提高该燃料电池的发电功率密度。
技术实现思路
现有的具有高比表面积膜的制备技术主要通过静电喷丝技术、电旋涂法涂布以及利用微孔模板法(例如申请号为 200510110439.0,200510081014.1,201210197931.6、201210197930.1等专利)来实现。应用这些方法对设备有一定要求，如需要在5?50千伏的电压下制备高比表面积质子导电聚合物层或需要应用微孔模板法来流延成型。针对现有技术不足，本专利技术提供了。本专利技术专利所提供的制备具有絮状表面形貌结构的PBI膜的方法是利用PBI这种质子导电聚合物仅溶解于高沸点溶剂而不溶解于低沸点溶剂的特点，将聚合物的甲烷磺酸溶液滴加入超声搅拌中的低沸点溶剂液体(如:去离子水、乙醇、异丙醇等)中，由于聚合物的甲烷磺酸溶液中的聚合物溶质不溶解于该低沸点溶剂，则聚合物即会从其原甲烷磺酸溶液当中析出，而析出的聚合物所形成的絮状沉淀均匀分散在该低沸点溶剂当中，再经分离去除甲烷磺酸溶剂并重新分散在的非溶剂液体中，从而制备成聚合物的絮状沉淀分散液。将该絮状沉淀分散液二次流延于膜的表面，从而制备成具有絮状表面形貌的比表面积较大的高温质子交换膜。以絮状表面层作为阴极侧，应用CCM (Catalyst Coated Membrane)法将催化层制备在膜的表面，最后将上述制备的CCM经热压、磷酸浸溃等步骤最终制备成膜电极。本专利技术专利所述的方法不仅限于举例中的絮状表面膜及膜电极的制备，根据PBI聚合物溶解的特殊性，依据本专利所提供的方法可以拓展至其他PBI絮状表面膜及膜电极的制备。，其具体步骤如下:(I)将聚合物粉料在100?200°C条件下溶解于甲烷磺酸中，将聚合物的甲烷磺酸溶液作为铸膜液，流延成膜；(2)使用与步骤(I)相同的聚合物的甲烷磺酸溶液，通过沉淀法制备絮状聚合物沉淀的分散液；(3)在步骤(I)得到的聚合物膜的一侧表面上进行步骤(2)得到的聚合物絮状分散液的二次流延，从而制备具有絮状表面结构的聚合物膜；(4)采用CCM法制备膜电极，在步骤(3)得到的聚合物膜具有絮状表面结构的一侧制备阴极催化层，在不具有絮状表面结构的另一侧制备阳极催化层；(5)经过热压、磷酸浸溃步骤制备成聚合物高温质子交换膜燃料电池膜电极。所述聚合物为聚2，5苯并咪唑ABPB1、磺化聚苯并咪唑S-PB1、聚(2，2’ -(间亚苯基)-5，5’ - 二苯并咪唑)MPBI和交联聚苯并咪唑PB1-O-PhT中的一种或多种。步骤(I)中所述聚合物的甲烷磺酸溶液中聚合物的质量分数为0.1%?5%，流延成膜温度为120°C?180°C。步骤(2)中所述絮状聚合物的分散液的制备方法为:将聚合物的甲烷磺酸溶液滴加到处于超声搅拌中的非聚合物溶剂中，由于聚合物不溶解于去离子水、乙醇或异丙醇等，从而使得聚合物溶质从其甲烷磺酸溶液当中析出，制备成聚合物絮状沉淀的初步分散液；之后将絮状沉淀经过离心或抽滤分离去除甲烷磺酸溶剂后，再重新超声搅拌分散于非聚合物溶剂中，制备成聚合物絮状沉淀分散液，并作为二次流延的絮状表面铸膜液，所述合物絮状沉淀分散液中聚合物絮状沉淀的含量为0.2?lg/L。所述非聚合物溶剂为去离子水、乙醇和异丙醇中的一种或多种。步骤(3)中所述二次流延的温度为100°C?120°C，所得聚合物絮状层中聚合物含量为 0.1 ?5mg/cm2。步骤(4)中所述制备阴极催化剂层和阳极催化剂层的浆料的配置方法是:采用聚合物的甲烷磺酸溶液作为质子传导剂和粘结剂与阴极催化剂或阳极催化共同混合于三氟乙酸中，经超声分散、搅拌混合，制备出阴极催化剂层浆料或阳极催化剂层浆料；在阳极催化层浆料含有质量分数为5%?10%的聚合物固形物(总质量为催化剂和聚合物固形物之和)，而在阴极催化剂层浆料含有质量分数为10%?15%的聚合物固形物；其中，阴极催化剂和阳极催化剂使用的是Johnson Matthey公司生产的商品化Pt质量分数为60%的Pt/C催化剂，所述阴极催化剂和阳极催化剂的担载量为0.2?lmg/cm2。所述步骤(4)中使用CCM法制备膜电极，采用喷涂的方法在聚合物膜具有絮状表面的一侧制备阴极催化层，在不具有絮状表面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种絮状表面聚苯并咪唑膜电极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）将聚合物粉料在100～200℃条件下溶解于甲烷磺酸中，将聚合物的甲烷磺酸溶液作为铸膜液，流延成膜；（2）使用与步骤（1）相同的聚合物的甲烷磺酸溶液，通过沉淀法制备絮状聚合物沉淀的分散液；（3）在步骤（1）得到的聚合物膜的一侧表面上进行步骤（2）得到的聚合物絮状分散液的二次流延，从而制备具有絮状表面结构的聚合物膜；（4）采用CCM法制备膜电极，在步骤（3）得到的聚合物膜具有絮状表面结构的一侧制备阴极催化层，在不具有絮状表面结构的另一侧制备阳极催化层；（5）经过热压、磷酸浸渍步骤制备成聚合物高温质子交换膜燃料电池膜电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王树博，谢晓峰，胡剑锋，
申请(专利权)人：清华大学，江苏新辉煌重工有限公司，
类型：发明
国别省市：