[发明专利]一种高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种高温质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)高温操作(100-200℃)是提高电催化剂活性和抗CO能力、简化水热管理以及提高能量利用率的有效途径之一。

聚苯并咪唑是一类具有苯并咪唑重复单元结构的直链芳香杂环高分子聚合物，具有突出的热稳定性和成膜性能，膜材料力学性能优良，同时聚合物中的碱性苯并咪唑基团对酸具有亲和力，可使酸掺杂在聚合物骨架中，掺杂态的聚苯并咪唑膜在高温(100-200℃)下具有较高的质子电导率。磷酸(H₃PO₄)掺杂的聚苯并咪唑膜在燃料电池中的应用促进了高温PEMFC的发展，被公认为高温质子交换膜最佳候选材料之一。磷酸掺杂聚苯并咪唑膜的质子电导率取决于膜中的磷酸含量，即膜的磷酸掺杂水平越高，膜的电导率也越高。然而较高的磷酸掺杂水平将显著降低膜的机械强度，进而直接影响燃料电池性能与使用寿命。

基于酸掺杂聚苯并咪唑膜的高温PEMFC膜电极，聚苯并咪唑膜以及电极催化层都需要一定量的酸以保证较高的质子传导能力。关于酸的引入和分布，一般采用的方式是将聚苯并咪唑膜掺杂高含量的酸，然后部分酸扩散至催化层起离聚体作用传导质子。例如，美国专利US5,525,436报道一种磷酸掺杂量为350mol％的质子交换膜制备膜电极，电极中的质子传导作用依靠从膜中扩散至电极中的磷酸。这种方法不需要向电极中额外引入酸，但电极中的酸含量受膜和电极结构以及磷酸再分布的影响，所以电极中酸含量不确定。并且膜中过高的酸含量易损害膜的机械性引起气体渗透，进而造成电池长期运行稳定性下降。为防止膜中过高酸含量对膜性能的影响，Wannek等人将电极中灌注酸，然后与未掺杂的聚苯并咪唑干膜热压制备膜电极(Journal of Power Sources,2009,192:258-261.)，也有报道先将聚苯并咪唑干膜两面喷涂催化层，然后与灌注有酸的气体扩散层一起热压制备膜电极(Fuel Cell Seminar,Hawaii,USA,2006,13-17.)。这些方式都是基于酸在膜和气体扩散电极间的动态交换。美国专利US11/765,056报道将质子交换膜和电极中分别引入磷酸，其中质子交换膜的磷酸掺杂水平低于200mole％，此方法采用较低的磷酸掺杂水平防止膜中磷酸向电极扩散。

除了需考虑酸在膜和气体扩散电极间的动态交换，在膜电极制备过程中，掺杂酸后的膜在环境中酸含量的变化也是一个不容忽视的因素。经酸掺杂后的膜在组装膜电极前，需要从酸溶液中取出，因为膜中的酸极易吸潮，在不同的环境及不同的停留时间下，用滤纸擦拭后膜中留下的有效酸含量不确定，造成所制备膜电极中酸含量的不一致。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出一种高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法。

本发明采用以下技术方式来实现：

一种高温质子交换膜燃料电池膜电极，包括高温质子交换膜和置于高温质子交换膜两侧的气体扩散电极；所述高温质子交换膜和气体扩散电极中含有掺杂酸；所述高温质子交换膜中的酸掺杂量的质量百分含量为150-200wt.％，所述气体扩散电极中的单位电极面积的酸掺杂量为1-10mg/cm²。

所述高温质子交换膜中优选的酸掺杂的质量百分含量为180±10wt.％；高温质子交换膜中较低的酸掺杂量可减小对膜机械性能的影响。

所述气体扩散电极中的单位电极面积的酸掺杂量优选为阳极2-5mg/cm²，阴极3-7mg/cm²，电极中酸含量过低时电极中质子传导能力差，电极活性面积小；电极中酸含量过高时，电极表面多余的酸极易使电极表面潮湿，另外，过多的酸堵塞电极的孔结构且覆盖电催化剂活性面，造成电池传质差，性能差。

所述掺杂酸为硫酸、磷酸、多聚磷酸、聚乙烯基磷酸、甲磺酸、三氟烷基磺酸中的一种或两种以上的混合酸。

所述高温质子交换膜为聚苯并咪唑类中的一种；所述聚苯并咪唑类膜包括聚(2,5-苯并咪唑)、聚(2,2’-间甲苯基-5,5’-二苯并咪唑)和聚(4,4’-二苯醚基-5,5’-二苯并咪唑)。

所述高温质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，包括以下步骤，