[发明专利]一种复合型聚环氧氯丙烷碱性聚合物膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种膜电极，具体涉及一种燃料电池用复合型聚环氧氯丙烷碱性聚合物膜电极及其制备方法。

背景技术

碱性燃料电池（AFC）是第一种应用于实际的燃料电池，其最大的优点在于阴极氧化还原动力学优越，可以采用低载量Pt催化剂甚至非Pt催化剂。其工作原理是，阳极氢气与氢氧根离子在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子，电子通过外电路传导到阴极，在阴极催化剂的作用下，与氧气和水反应生成氢氧根离子，生成的氢氧根离子通过电解质迁移到阳极继续参与反应。然而传统碱性燃料电池采用的是液体电解质（氢氧化钾溶液），不但具有较强的腐蚀性，而且只适用纯氢、纯氧反应剂，对CO₂等酸性杂质气体敏感、性能急剧下降。

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)的提出，避免了传统碱性燃料电池的缺陷与不足。AAEMFC具有以下明显优势：(1) AAEMFC与传统AFC一样，最大的优点在于电极反应。可以减少贵金属的使用量，可用钴、银、镍替代铂。在碱性介质中，甲醇氧化比在酸性介质中更彻底，氧还原动力学在碱性条件下更优越；(2) 阴离子交换膜中不存在Na⁺、K⁺等可移动的金属阳离子，不会形成金属碳酸盐破坏电解质和电极层；(3) 碱性介质中，氧自由基对聚合物膜的破坏被抑制，因此选用无氟聚合物电解质膜更有可能降低环境污染；(4) AAEMFC中，水在阳极产生，在阴极消耗，系统水管理大大简化；(5) 使用固体电解质，不存在漏液、强腐蚀性等问题，可采用低成本金属双极板。

目前AAEMFC的技术难度在于缺乏一种高效、稳定的碱性聚合物膜电极。主要原因之一是缺乏一种可适用于燃料电池的阴离子交换膜(AAEM)，由于OH^-的迁移速率不足H⁺的1/4，AAEM的电导率低于PEM；AAEM抗高温性能差，大多在≥60℃时发生降解；化学稳定性较差，机械强度较低。另一个主要原因是缺乏可适用于碱性固体电解质的电极，传统碱性燃料电池中的疏水性电极和质子交换膜燃料电池的酸性体系电极并不适用于AAEMFC。

发明内容

本发明的目的解决上述技术问题，提供一种高效、稳定的碱性阴离子交换膜燃料电池的膜电极。

为达到上述目的，本发明提供了一种复合型聚环氧氯丙烷碱性聚合物膜电极，该膜电极包含碱性阴离子交换膜、电极层，其中：

所述碱性阴离子交换膜是通过聚环氧氯丙烷的氯原子与叔胺的亲核取代反应，得到季胺化聚环氧氯丙烷，然后与多孔聚四氟乙烯膜复合而成；

所述电极层包含氢电极和氧电极，所述的氢电极包含气体扩散层及喷涂在该气体扩散层上的氢电极催化层，所述的氧电极包含气体扩散层及喷涂在该气体扩散层上的氧电极催化层；

所述膜电极是按照氢电极、碱性阴离子交换膜、氧电极的组合顺序一体化成型形成；

其中，所述的气体扩散层采用碳材料为基体，添加疏水性聚合物形成。

上述的复合型聚环氧氯丙烷碱性聚合物膜电极，其中，所述的叔胺选择N,N,N`,N`-四甲基-1,6-甲二胺、N,N,N`,N`-四甲基-1,6-乙二胺、N,N,N`,N`-四甲基-1,6-丙二胺或N,N,N`,N`-四甲基-1,6-己二胺中的任意一种。

上述的复合型聚环氧氯丙烷碱性聚合物膜电极，其中：

所述的氢电极催化层包含铂基催化剂和聚合物乳液；

所述的氧电极催化层包含铂基催化剂和聚合物乳液；或者，非铂基催化剂和聚合物乳液；

其中，所述铂基催化剂为Pt黑或40%Pt/C，所述非铂基催化剂为Ni、Ag、Co或其碳载型Ni、Ag、Co催化剂；所述聚合物乳液为聚全氟乙丙烯、Nafion（Nafion属于全氟磺酸类聚合物，是杜邦公司专利产品，无中文译名）或季胺化聚合物乳液中的一种或几种。所述季胺化聚合物是指支链上带有季胺基团的脂肪族或芳香族高分子聚合物，如本文中所提及的季胺化聚环氧氯丙烷，还有季胺化聚氯苯乙烯（脂肪族主链）、季胺化聚砜（芳香族主链）等等。

优选地，本发明所采用的季胺化聚合物乳液选择与膜材料相同的季胺化聚环氧氯丙烷，或者，Tokuyama公司的AS-x乳液（具有季胺化支链，详细结构未公开）。

上述的复合型聚环氧氯丙烷碱性聚合物膜电极，其中，所述的气体扩散层的基体采用的碳材料为碳纸或者碳布，添加聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯进行疏水处理。

本发明还提供了一种上述的复合型聚环氧氯丙烷碱性聚合物膜电极的制备方法，该方法包含以下具体步骤：