[发明专利]燃料电池膜电极

说明书

本发明提供了一种燃料电池膜电极，包括催化层、质子交换膜和气体扩散层，质子交换膜为芳香型聚合物质子交换膜，催化层的材料包含芳香型离聚物，该芳香型离聚物具有通式I所示结构，其中，A为侧基含氟的双酚单体去掉两个酚羟基氢后的残基，R₁和R₂分别独立地选自含磺酸基和/或羧酸基的基团，n为≥20的整数。本发明通过在燃料电池膜电极的催化层芳香型离聚物的侧链中引入含氟基团，使催化层与芳香型聚合物质子交换膜更加适配，同时通过使含氟基团分布在分子链外侧，大大增强了芳香型离聚物和应用其的催化层的疏水性特性，防止水淹阻碍膜电极内部的气液传输，使得燃料电池膜电极在大电流高产水的情况下表现出更优的极化性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池膜电极。

背景技术

燃料电池膜电极(MEA)主要由阴阳极催化层、质子交换膜、气体扩散层和密封边框组成。催化层是燃料电池发生氢氧化反应和氧化还原反应的重要场所，主要由碳载铂合金和离聚物组成，它们与反应气体共同形成三相界面，化学反应就在此界面进行。同时，离聚物是催化层与质子交换膜间的纽带，负责将阳极反应生成的质子传递到质子交换膜，再由质子交换膜传递到阴极催化层。近年来，质子交换膜逐渐向芳香型聚合物材料发展，以进一步降低原材料成本，与此同时，催化层中的离聚物也需要做出适当的改变，以实现与芳香型质子交换膜的匹配。

全氟磺酸型质子交换膜制备的传统膜电极所采用的离聚物溶液主要是杜邦公司生产的为增强与质子交换膜的适配性，关于离聚物材料的专利也大部分都集中在开发新结构的全氟磺酸树脂材料上。例如：专利CN102264776B公开了一种通过水相聚合原位合成方法制备全氟磺酸离聚物并实现材料分子链段长度及离子交换当量的精确控制；专利CN101952354B公开了一种全氟磺酸数字离聚物的制备方法，通过改变单体构型调整离聚物分子结构，提高其溶解度及成膜特性；专利CN1688621A公开了一种低离子交换当量全氟磺酸离聚物的制备方法，使材料具备良好的成膜性，特别适于在高温低湿的燃料电池中应用。然而，由于全氟磺酸材料与芳香烃材料分子结构差异较大，相容性差，匹配度不好，因此诸多新型全氟磺酸型离聚物均无法帮助芳香型质子交换膜为原材料的膜电极达到较高的电池性能。

近年来有相关专利公开了芳香型聚合物经过化学修饰后作为离聚物材料用于膜电极制备。专利CN112552488A公开了一种芳环全碳骨架和氟碳侧链的离聚物材料，用作燃料电池催化层的粘结剂材料。然而该专利中所开发的离聚物材料为阳离子基团功能化，不具备质子传递能力，不适用于质子交换膜燃料电池。专利CN1410473A公开了磺化聚苯硫醚酮类离聚物的制备方法，该离聚物材料在满足传递质子的基本需求的同时，兼顾材料的抗氧化性，可以大幅提高材料在燃料电池工作环境中的耐久性。专利CN113161557A公开了一种磺化聚芳醚酮作为粘结剂在质子交换膜燃料电池膜电极中的应用，所合成的离聚物材料具备较高的质子传导率。专利CN101434697A中公开了基于萘环的侧链型磺化聚芳醚酮材料，发明人对该种材料的质子传导率进行测定，证明其具有作为燃料电池质子交换膜的潜质，但未在燃料电池领域进行实际验证。上述各专利制备得到的离聚物的疏水性能均较差，导致应用其的催化层疏水性较差，无法把电极反应生成的水及时排出，导致电池极化性能较差，无法满足性能要求较高的燃料电池的使用要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池膜电极，以解决现有技术中燃料电池膜电极的催化层疏水性能较差导致电池极化性能差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池膜电极，包括催化层、质子交换膜和气体扩散层，质子交换膜为芳香型聚合物质子交换膜，催化层的材料包含芳香型离聚物，芳香型离聚物具有通式I所示结构：

其中，A为侧基含氟的双酚单体去掉两个酚羟基氢后的残基；R₁和R₂分别独立地选自含磺酸基和/或羧酸基的基团；n为≥20的整数。