[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

说明书

本发明提供一种膜电极组件，其制备方法包括：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，通入氨气，形成前体分散液；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；2)向前体分散液中加入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。本发明的膜电极组件具有较好的催化层的均匀性和稳定。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种包含自交联离子聚合物的膜电极组件及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的装置，具有清洁无污染、能量转化效率高、能量密度高等优点，在交通运输、信号基站等领域具有广阔的应用前景。

燃料电池的核心零部件主要包括膜电极组件(MEA)和双极板，其中膜电极组件由两侧装配有阳极催化层和阴极催化层的聚合物电解质膜以及气体扩散层组成。双极板包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板分别设置有流道，且阳极板和阴极板分别与MEA两侧的气体扩散层接触。氢气从阳极一侧进入单元燃料电池，在催化剂的作用下分离为质子和电子，质子穿过聚合物电解质膜到达阴极并与氧气结合，在催化剂的作用下生成水；无法穿过质子交换膜的电子会从燃料电池中流出进入外电路，产生电能。

膜电极组件(MEA)中的催化层(包括阳极催化层和阴极催化层)通常分别包括离子聚合物、催化剂和导电碳材料。催化层中的离子聚合物一方面可作为的离子基团为质子交换位点。由于燃料电池内的电化学反应需要反应气体、质子和催化剂参与，并对气体、质子和电子进行有效传输，燃料电池内的电化学反应需要发生在催化层的三相反应界面(反应气体、催化剂和传导质子的水)，因此离子聚合物与催化剂和导电碳材料的均匀混合显得尤为重要。

比较成熟的催化层的制备方法包括将含有混合均匀的离子聚合物、催化剂和导电碳材料的催化剂墨水通过丝网印刷、喷涂或转印的方式应用到聚合物电解质膜上。离子聚合物中，平均每摩尔酸性离子基团对应的质量(即离子聚合物质量/酸性离子基团数量，equivalent weight，单位为g/mol)对离子聚合物在催化剂墨水中的分散情况有较大影响。如果平均每摩尔酸性离子基团对应的质量过高，离子聚合物亲水性较低，在催化剂墨水中不易与催化剂以及导电碳材料充分混合均匀，会导致催化层中的三相反应界面分布不够均匀，影响气体、质子和电子传导效率以及电化学反应效率；如果平均每摩尔酸性离子基团对应的质量过低，离子聚合物在水中的溶解度较大，由于燃料电池是在有水的环境下运行，容易导致整个催化层不稳定。

另外，由于单个燃料电池的输出电压较低，为了向外电路输出较大的工作电压，在实际应用中，通常将多个燃料电池堆叠串联在一起，形成可以输出较高电压的燃料电池电堆。一般来说，能够进行商业化应用的燃料电池电堆需要具有不低于5000小时的使用寿命，且能够经受足够多次数的启动和关机操作。在进行启动和关机操作时，空气容易扩散到阳极，导致电堆中单个或多个燃料电池电压快速降低甚至电压成为负值；另外，由于各种因素导致的燃料电池氢气供应不足也容易导致电池电压快速降低甚至电压成为负值。当出现这种情况时，需要停止整个电堆运行，更换或修复电压异常的电池，以防止整个电堆受损。因此，寻找耐受异常电压的膜电极组件尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种包含自交联离子聚合物的膜电极组件及其制备方法，提高燃料电池的运行效率和耐稳定性。

技术方案：本发明提供一种膜电极组件，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，阳极和阴极分别包括催化层和气体扩散层，催化层包括催化剂、导电碳材料和离子聚合物；离子聚合物具有交联结构，膜电极组件的制备方法包括以下步骤：