[发明专利]一种絮状表面聚苯并咪唑膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种絮状表面聚苯并咪唑膜电极的制备方法。

背景技术

现今，化石能源日趋枯竭且环境污染日趋严重，氢氧/氢空质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，将氢气中的化学能转换为电能，在发电过程中只排出水，基于该燃料电池，可生产新能源汽车、建立分布式电站，是一种可缓解能源和环境问题的无污染绿色新能源发电电池。

目前，氢氧/氢空质子交换膜燃料电池以全氟磺酸膜为固体电解质，工作温度100℃以下且依赖水的存在而发电，电池系统需要复杂的水管理和热管理模块，对氢气纯度要求高。而以聚苯并咪唑PBI为固体电解质的高温质子交换膜燃料电池，可工作在150℃且不依赖于水而发电，可去除电池系统的水管理模块和简化热管理模块、放宽对氢气纯度的要求，且有希望在高温条件下使用更低载量的Pt催化剂甚至使用非Pt催化剂。基于上述PBI高温质子交换膜燃料电池的特点，其受到越来越多的关注，成为有望实际应用的下一代氢氧/氢空质子交换膜燃料电池，极具发展前途。

膜电极，由阴阳极扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜组成，是质子交换膜燃料电池的核心发电部件。膜电极在发电过程中的控制步骤是阴极氧还原过程，阴极氧还原过程电化学反应阻抗的大小直接影响膜电极的极化程度，进而影响电池的功率密度。质子交换膜表面平整，从而其有效面积即为表观面积，通过改善膜表面的形貌，提高膜表面的比表面积，可增大催化层与膜之间的接触面积，从而增加催化层的活性面积，提高催化剂的利用率及氧还原反应速率，降低阴极氧还原电化学反应阻抗，增大电池的功率密度。

本发明涉及一种具有絮状表面形貌的PBI质子交换膜及膜电极制备技术，首先使用PBI的溶液作为铸膜液流延成膜，其次利用PBI不溶解于去离子水、乙醇、异丙醇的性质，应用沉淀法将PBI的溶液滴加到上述非PBI的溶剂的液体中，初步制备PBI聚合物的絮状沉淀分散液，再经分离步骤并重新分散于PBI的非溶剂液体中，从而制备成PBI的絮状沉淀分散液，作为絮状表面二次流延的铸膜液。该絮状表面膜层，形态上为PBI的絮状沉淀颗粒，具备与PBI膜相同的化学结构和质子传导率，从而通过在PBI膜的表面设计制备该PBI絮状表面膜层，可显著增大PBI膜的比表面积，将阴极催化层制备于该絮状表面，进而提高了阴极催化层与膜的接触面积，最终使得膜电极的阴极氧还原阻抗显著降低而提高该燃料电池的发电功率密度。

发明内容

现有的具有高比表面积膜的制备技术主要通过静电喷丝技术、电旋涂法涂布以及利用微孔模板法（例如申请号为200510110439.0、200510081014.1、201210197931.6、201210197930.1等专利）来实现。应用这些方法对设备有一定要求，如需要在5～50千伏的电压下制备高比表面积质子导电聚合物层或需要应用微孔模板法来流延成型。

针对现有技术不足，本发明提供了一种絮状表面聚苯并咪唑膜电极的制备方法。

本发明专利所提供的制备具有絮状表面形貌结构的PBI膜的方法是利用PBI这种质子导电聚合物仅溶解于高沸点溶剂而不溶解于低沸点溶剂的特点，将聚合物的甲烷磺酸溶液滴加入超声搅拌中的低沸点溶剂液体（如：去离子水、乙醇、异丙醇等）中，由于聚合物的甲烷磺酸溶液中的聚合物溶质不溶解于该低沸点溶剂，则聚合物即会从其原甲烷磺酸溶液当中析出，而析出的聚合物所形成的絮状沉淀均匀分散在该低沸点溶剂当中，再经分离去除甲烷磺酸溶剂并重新分散在的非溶剂液体中，从而制备成聚合物的絮状沉淀分散液。将该絮状沉淀分散液二次流延于膜的表面，从而制备成具有絮状表面形貌的比表面积较大的高温质子交换膜。以絮状表面层作为阴极侧，应用CCM（Catalyst Coated Membrane）法将催化层制备在膜的表面，最后将上述制备的CCM经热压、磷酸浸渍等步骤最终制备成膜电极。

本发明专利所述的方法不仅限于举例中的絮状表面膜及膜电极的制备，根据PBI聚合物溶解的特殊性，依据本专利所提供的方法可以拓展至其他PBI絮状表面膜及膜电极的制备。

一种絮状表面聚苯并咪唑膜电极的制备方法，其具体步骤如下：

（1）将聚合物粉料在100～200℃条件下溶解于甲烷磺酸中，将聚合物的甲烷磺酸溶液作为铸膜液，流延成膜；

（2）使用与步骤（1）相同的聚合物的甲烷磺酸溶液，通过沉淀法制备絮状聚合物沉淀的分散液；

（3）在步骤（1）得到的聚合物膜的一侧表面上进行步骤（2）得到的聚合物絮状分散液的二次流延，从而制备具有絮状表面结构的聚合物膜；