[发明专利]包含自交联离子聚合物的膜电极组件及其制备方法

权利要求书

1.一种膜电极组件，包括阳极、阴极以及设置在阳极与阴极之间的聚合物电解质膜，所述阳极和阴极分别包括催化层和气体扩散层，所述催化层包括催化剂、导电碳材料和离子聚合物；其特征在于，所述离子聚合物具有交联结构，所述膜电极组件的制备方法包括以下步骤：

1）将催化剂、导电碳材料和全氟磺酰氟树脂均匀分散在溶剂中，然后通入氨气，使所述全氟磺酰氟树脂中的磺酰氟基团转化为磺酰胺基团，形成前体分散液；所述全氟磺酰氟树脂为端基为磺酰氟基团的全氟乙烯基醚的均聚物；所述全氟磺酰氟树脂的质量与全氟磺酰氟树脂中磺酰氟基团的摩尔量之比小于600g/mol；

2）向所述前体分散液中加入所述端基为磺酰氟基团的全氟乙烯基醚的二聚体以及三甲胺或三乙胺，微波处理使得所述全氟磺酰氟树脂发生交联反应，接着调节反应液pH至3~5，得到催化层分散液；

3）将所述催化层分散液应用在聚合物电解质膜上，形成催化剂涂层膜，将催化剂涂层膜夹在两片碳纸之间，形成膜电极组件；

所述端基为磺酰氟基团的全氟乙烯基醚的分子式为CF₂＝CFOCF₂(CF₂)_nSO₂F，其中，n=1~5；

步骤2）中加入的所述端基为磺酰氟基团的全氟乙烯基醚的二聚体与步骤1）中加入的所述全氟磺酰氟树脂的质量比为1:20~25；步骤2）中加入的所述三甲胺或三乙胺与步骤1）中加入的所述全氟磺酰氟树脂的质量比为1:12~15；

步骤2）还包括在将调节反应液pH至2~5后加入还原型谷光甘肽或三胜肽，使所述催化层中还原型谷光甘肽或三胜肽的含量为5mg/cm²~20mg/cm²。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述全氟磺酰氟树脂的质量与全氟磺酰氟树脂中磺酰氟基团的摩尔量之比为300g/mol~550g/mol。

3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，步骤1）中，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲亚砜和乙腈中的一种或多种的组合与异丙醇和水的混合溶剂。

4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，步骤2）中，所述微波处理的频率为1.5~2GHz，输出功率为800~1500W，处理时间为60~90分钟。

5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，步骤3）中，所述催化层中离子聚合物的含量为20wt%~25wt%，阳极催化层中铂载量为0.1~0.2mg/cm²，阴极催化层中铂载量为0.3~0.5mg/cm²，导电碳材料的含量为0.1~1mg/cm²。

6.一种制备权利要求1~5中任意一项所述的膜电极组件的方法，其特征在于，所述膜电极组件的制备方法包括以下步骤：

1）将催化剂、导电碳材料和全氟磺酰氟树脂均匀分散在溶剂中，然后通入氨气，使所述全氟磺酰氟树脂中的磺酰氟基团转化为磺酰胺基团，形成前体分散液；所述全氟磺酰氟树脂为端基为磺酰氟基团的全氟乙烯基醚的均聚物；所述全氟磺酰氟树脂的质量与全氟磺酰氟树脂中磺酰氟基团的摩尔量之比小于600g/mol；

2）向所述前体分散液中加入所述端基为磺酰氟基团的全氟乙烯基醚的二聚体以及三甲胺或三乙胺，微波处理使得所述全氟磺酰氟树脂发生交联反应，接着调节反应液pH至3~5，得到催化层分散液；

3）将所述催化层分散液应用在聚合物电解质膜上，形成催化剂涂层膜，将催化剂涂层膜夹在两片碳纸之间，形成膜电极组件。