[发明专利]一种磺化聚芳醚酮作为粘结剂在质子交换膜燃料电池的膜电极中的应用、膜电极及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种磺化聚芳醚酮作为粘结剂在质子交换膜燃料电池的膜电极中的应用。在本发明中，所述磺化聚芳醚酮作为粘结剂，能够完全溶解于低沸点溶剂，避免了高沸点溶剂溶解粘结剂后高沸点溶剂去除困难，导致高沸点溶剂在催化剂层大量残留而造成对催化剂的毒害的问题；以所述磺化聚芳醚酮作为催化剂层的粘结剂，有利于提高催化剂层与质子交换膜的界面相容性，可以构筑优良的燃料气、水和催化剂三相反应界面，使催化剂层中的质子传递、物质运输和电荷转移顺畅进行，同时磺化聚芳醚酮的质子传导率优良，保障了质子在质子交换膜燃料电池催化剂层的高效传递，进而极大的提高了质子交换膜燃料电池的功率。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种磺化聚芳醚酮作为粘结剂在质子交换膜燃料电池的膜电极中的应用、膜电极及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量效率和能量密度高、体积重量小、冷启动时间短和运行安全可靠的优点，而且由于使用的电解质膜为固态，可避免电解质腐蚀，广泛应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天和家用电源等行业。

质子交换膜燃料电池的核心部件是其中的膜电极，主要由质子交换膜、催化层以及气体扩散层组成。在气体催化层中含有粘结剂，粘结剂与催化剂、电极载体、质子交换膜以及进入膜电极中的气体和水接触，将质子从阳极催化剂层内部转移到阴极催化剂层/质子交换膜界面，并从膜/阴极催化剂层界面转移到阴极催化剂层内部，直接影响着膜电极中氧还原反应和氢氧化反应所需的质子传输；同时粘结剂使催化剂层和质子交换膜紧密结合，影响着催化剂层和质子交换膜之间的界面电阻。因此，质子交换膜燃料电池中优良的粘结剂需要满足以下几方面要求：具有较高的质子传导率且与质子交换膜有良好的界面相容性。

目前的粘结剂中，全氟磺酸粘结剂质子传导率较高，但粘结剂与质子交换膜界面相容性差；烃类化合物粘结剂能够满足粘结剂与质子交换膜良好界面相容的问题，但质子传导率低、电化学活性面积小。综合全氟磺酸粘结剂和烃类粘结剂的结构和优点，研究人员提出了磺化芳香烃粘结剂，但大多数磺化芳香烃只溶于高沸点溶剂，不溶于粘结剂分散体系中广泛使用的低沸点的水/醇混合物溶剂。在电极制备过程中，由于高沸点的溶剂难以完全去除而导致吸附在催化剂表面的溶剂残留物较多，降低了电极电化学活性面积，不利于质子交换膜燃料电池良好电化学性能的获得。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磺化聚芳醚酮作为粘结剂在质子交换膜燃料电池的膜电极中的应用，所述磺化聚芳醚酮作为粘结剂应用于质子交换膜燃料电池中，可以实现粘结剂在低沸点溶剂中良好溶解分散，进而有利于在粘结剂与催化剂混合制备电池电极时彻底去除催化剂表面附着的低沸点溶剂，提高质子交换膜燃料电池的电化学性能。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种磺化聚芳醚酮作为粘结剂在质子交换膜燃料电池中的应用，所述磺化聚芳醚酮的单体单元为第一单体单元和第二单体单元，所述第一单体单元具有式I所示结构：

所述第二单体单元具有式II所示结构：

所述第一单体单元和第二单体单元的摩尔比≥1。

优选的，所述磺化聚芳醚酮的磺化度为0.5～1.5。

优选的，所述磺化聚芳醚酮的重均分子量为40000～140000g/mol。

优选的，所述磺化聚芳醚酮在25℃时的质子传导率≥50mS/cm。

优选的，所述质子交换膜燃料电池包括直接甲醇燃料电池或氢空燃料电池。

优选的，所述磺化聚芳醚酮位于膜电极的催化剂层。