[发明专利]一种燃料电池用磷酸掺杂聚苯并咪唑膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用膜电极的制备方法，特别是一种燃料电池用磷酸掺杂聚 苯并咪唑膜电极的制备方法。

背景技术

聚合物电解质膜型燃料电池系统清洁、高效，运行温度低，启动速度快，在新世纪 化工技术研究开发中备受关注。传统的聚合物电解质膜型燃料电池以阳离子交换膜为电 解质膜，作为燃料的氢气直接供给阳极，作为氧化剂的氧气或空气供给阴极。在阳极室， 氢气在膜电极中的阳极催化剂的作用下解离生成质子和电子，质子在阳离子交换膜中迁 移至阴极。电子通过外部电路和负载，在膜电极中的阴极催化剂上与阴极室的氧气和透 过聚合物电解质膜传递过来的质子结合生成水，从而产生电能。

传统的聚合物电解质膜型燃料电池膜电极中使用的电解质为全氟磺酸类化合物，如 商业化的Nafion膜。这类电解质价格昂贵，而且为使该电解质具有高质子电导，电解质 膜必须充分水合。该电解质在高温或加湿不充分的条件下易发生失水并降解，使得燃料 电池性能显著下降，因而组建的相应燃料电池常压最高工作温度为100℃。而且电解质 所需的水通过反应气加湿供给，加湿器增加了燃料电池系统的体积，降低了整体效率。

全芳结构的聚苯并咪唑是一类高性能材料，具有极高的耐热性能、优异的力学性能、 极好的化学稳定性、良好的介电性质和纺丝性能，在宇航、微电子等领域里得到了广泛 的应用。近年来，研究人员发现磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜是一种具有优良抗氧化性和热 稳定性的聚合物电解质膜，至250℃高温仍可保持较高质子传导率和一定的力学强度。 这类材料在新型低成本高温聚合物电解质膜型燃料电池领域具有潜在的应用前景，因此 受到广泛关注。目前主要研究的聚苯并咪唑电解质膜的成分为聚[2，2’-(间亚苯基)-5，5’- 二苯并咪唑](结构式如(a)所示)。该化合物为苯环和芳香性杂环构成的聚合物，分子链高 度刚性以及分子之间强烈的相互作用使其溶解性较差，而且难熔，导致加工困难，浇注 成膜时常需添加助溶剂如氯化锂等，制备得到的电解质膜力学强度差，不利于实际应用。

聚[2，2’-(对氧二亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑](结构式如(b)所示)结构中含有醚键使其容 易溶解于众多非质子溶剂，如二甲基亚砜、1-甲基-2-吡咯烷酮、N，N-二甲基乙酰胺和甲 基磺酸，成膜性能好。Modestov等人使用氢氧化钾掺杂聚[2，2’-(对氧二亚苯基)-5，5’-二 苯并咪唑]膜为电解质制备膜电极，考察了其用于直接甲醇碱性燃料电池的发电性能 (Journal of Power Sources 2009，188，502)。该报道中的电解质膜使用氢氧化钾掺杂，容易 吸收空气中的二氧化碳生成碳酸氢钾和碳酸钾，不利于燃料电池在空气中长期运行。CN 1801511A的专利公开了一种酸掺杂聚苯并咪唑膜电极的制备方法，发明人将聚苯并咪 唑类化合物、酸、催化剂混合配成电极浆料，干燥电极浆料形成固体物料，粉碎固体物 料之后再加入粘结材料制备成膜电极。该专利中为溶解聚苯并咪唑类化合物使用了甲基 磺酸和四氟乙酸，这两种酸具有强挥发性，与催化剂的搅拌混合中，会腐蚀催化剂的活 性组分；该专利公开的制备方法中固体物料和粘结剂混合，两者不容易混合均匀，会降 低燃料电池的发电性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，以4，4’-二羧基二苯醚和3，3’，4，4’-四氨基联苯 为单体通过缩聚反应制备成膜性好的聚[2，2’-(对氧二亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑]，将其浇 铸成膜后进行磷酸掺杂，制得具有良好力学强度的电解质膜；在制备磷酸掺杂气体扩散 电极中，将聚[2，2’-(间亚苯基)-5，5’-二苯并咪唑]和铂碳催化剂制得气体扩散电极后进行 磷酸掺杂，各组分分布均匀，过程中不使用强挥发性酸，没有固态物料混合过程。

本发明一种燃料电池用磷酸掺杂聚苯并咪唑膜电极的制备方法如下：