[发明专利]一种燃料电池用电极粘结剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用弱碱基团增强环状季铵盐型电极粘结剂及其制备方法，属于燃料电池电极粘结剂技术领域。本发明通过点击化学反应在引入碱稳定的环状季铵盐基础上，进一步引入弱碱辅助基团，增大了侧链亲水性差异，形成微相分离，形成离子传输通道，提高了离子传输效能，并且可使用绿色、沸点低的溶剂起到良好的分散作用，得到离子传输能力强、催化剂利用率高的粘结剂。本发明旨在解决现有电极粘结剂，容易导致催化剂颗粒出现分散性差、活性低的问题，该电极粘结剂在燃料电池等多方面中具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池电极粘结剂技术领域，特别涉及一种燃料电池用弱碱基团增强环状季铵盐型电极粘结剂及其制备方法。

背景技术

随着当前经济和社会的快速发展，寻找绿色，低污染，高效能，环境友好型的新能源替代传统化石能源俨然成为当务之急，燃料电池的出现完美的契合了人们对环境和能源使用的平衡。其中碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）由于使用非贵金属催化剂，成本得到降低，因其同时具备的氧还原反应反应动力学快等优点受到研究人员的关注。膜电极（MEA）作为燃料电池的核心，通常由阴离子交换膜（AEMs）、催化剂层（CLs）和气体扩散层组成。离子聚合物（AEIs）不仅可以用于制作AEMs，起到分隔燃料与氧化剂、传输OH^-等作用，还可以在CLs中既作为物理粘合剂，又传导反应原料、产物和OH^-阴离子，在MEA内起到增大反应界面及高效利用催化剂的作用。膜和粘合剂性能优劣都直接影响到燃料电池的输出性能和运行寿命。

但其发展仍受关键材料制约。膜电极由催化剂和粘结剂组成的浆料喷涂的催化剂涂层膜与扩散层热压而成，这就要求粘结剂溶于乙醇等低沸点低毒溶剂，以利于膜电极的高效绿色制备，避免高沸点极性溶液可能引起的电极形变，降低电极电化学活性。同时，粘结剂与交换膜成分差距较大时，会造成不同的亲疏水性、IEC，将导致电池燃料的输出功率和长期寿命下降。电极高效反应以及高温碱性环境则要求粘结剂高电导率、耐碱并耐水溶胀。

因此，设计制备可溶的高性能粘结剂对碱性燃料电池的未来实用开发意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池用弱碱基团增强环状季铵盐型电极粘结剂及其制备方法。通过点击化学反应在引入碱稳定的环状季铵盐基础上，进一步引入弱碱辅助基团，增大了侧链亲水性差异，形成微相分离，形成离子传输通道，提高了离子传输效能，并且可使用绿色、沸点低的溶剂起到良好的分散作用，得到离子传输能力强、催化剂利用率高的粘结剂。本发明旨在解决现有电极粘结剂，容易导致催化剂颗粒出现分散性差、活性低的问题，该电极粘结剂在燃料电池等多方面中具有潜在的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明技术方案之一：提供一种燃料电池用弱碱基团增强环状季铵盐型电极粘结剂，结构通式如下：

上式中，R₁为全碳链，总长度为1-12个碳原子；

R₂为全碳链或含醚氧键的碳链，总长度为0-12个碳原子；

R₃为环状季铵盐阳离子；

R₆为弱碱基团；

x为环状季铵盐阳离子的取代度，y为弱碱基团的取代度，0x+y≤100。

优选地，所述环状季铵盐阳离子的结构为下列结构中的一种：