[发明专利]基于熔融质子导体电解质膜且催化层含质子导体的膜电极

说明书

本发明公开了一种基于熔融质子导体电解质膜且催化层含质子导体的膜电极，所述膜电极的制备方法，包括以下步骤：首先制备聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜，再将含质子导体催化剂浆料涂覆在聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜两侧，得到含质子导体的催化剂涂覆膜，最后将含质子导体的催化剂涂覆膜与气体扩散层装配为膜电极。所含质子导体催化剂浆料为含磷酸质子导体催化剂浆料、或者含磷酸与MH₅(PO₄)₂(M为Cs或K)质子导体催化剂浆料。通过在催化剂浆料中引入质子导体，可以实现质子导体在催化层中的均匀分布，形成连续的质子传输通道，降低催化层内的质子传输阻力。本方法制备的膜电极，可以有效提高膜电极的电输出性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于熔融质子导体电解质膜且催化层含质子导体的膜电极，尤其涉及一种基于熔融质子导体电解质膜的膜电极及制备方法，通过改善膜电极内催化层的质子传导能力，提高燃料电池的电输出性能。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、无污染、低噪音等优点，近年来，质子交换膜燃料电池技术得到快速发展，目前已经应用于交通、电站等多个领域。工作于25-90℃间的低温质子交换膜燃料电池(LT-PEMFC)，具有快速启动优势，但也存在散热和排水困难的问题。相比于低温质子交换膜燃料电池，工作于100-250℃的高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)具有更加方便的水热管理、更高的催化效率和一氧化碳耐受能力。

目前，聚苯并咪唑(PBI)掺杂磷酸(H₃PO₄)高温质子交换膜研究最为广泛且已经商业化应用于HT-PEMFC。对于PBI掺杂磷酸高温质子交换膜，其质子导体为磷酸，从室温到工作温度(180℃)均为液态，特别在低温时，液态磷酸易于流失；而且，溶胀率高达200-300％，机械强度显著下降。

中国专利CN107331883A公开了聚苯并咪唑(PBI)掺杂熔融质子导体电解质膜以及燃料电池，其中所掺杂的熔融质子导体(CsH₅(PO₄)₂、KH₅(PO₄)₂)室温为固态，温度高于熔点则转变为液态熔融体，该熔融体具有高质子电导率，并且因为在熔点以下为固态，不易发生流失；PBI掺杂熔融质子导体电解质膜，溶胀率低，可保持良好机械强度。但是基于熔融质子导体(CsH₅(PO₄)₂)电解质膜，使用气体扩散电极(催化层附着在气体扩散层上)，装配燃料电池膜电极，存在燃料电池电输出性能低的问题(峰值功率密度低于120mW/cm²)。为了促进基于PBI掺杂熔融质子导体电解质膜在HT-PEMFC应用，亟待改善膜电极，提升其输出功率密度。

发明内容

针对基于聚苯并咪唑(PBI)掺杂熔融质子导体电解质膜的膜电极，现有技术存在的膜电极的界面接触不良以及催化层中质子传导阻力大，导致燃料电池输出性能低的问题，以及膜电极中液态磷酸易于流失的问题，本发明提供一种燃料电池膜电极及其制备方法。该方法通过将含有质子导体的催化剂浆料涂覆在聚苯并咪唑(PBI)掺杂熔融质子导体电解质膜两侧，制备膜电极，优化了膜电极制备技术，降低了催化层与电解质膜界面间的界面阻力、改善了催化层内质子传输，有效提高了膜电极的电输出性能，并且简化工艺流程，提高膜电极制备效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面

一种燃料电池膜电极，包括催化剂涂覆膜和气体扩散层，所述气体扩散层放置在催化剂涂覆膜的两侧，所述催化剂涂覆膜包括聚苯并咪唑杂熔融质子导体电解质膜和催化层，所述催化层涂覆在所述聚苯并咪唑掺杂熔融质子导体电解质膜的两侧；

所述催化层为含磷酸的催化层、或者含磷酸与熔融质子导体的催化层。