[发明专利]一种燃料电池用耐高温高透气性磺化微孔聚合物及其铂碳复合膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用耐高温高透气性磺化微孔聚合物及其铂碳复合膜的制备方法。在惰性气体氛围下，将四羟基单体A与磺化的四氟单体B及碳酸钾溶于极性有机溶剂C中，加热缩聚成磺化微孔聚合物I。将I溶解于非质子极性溶剂D中，形成固含量为5‑20%的聚合物混合液E，加入铂碳，形成分散液G，铂碳催化剂与I的质量比为1‑5：100。将G均匀涂覆在平板玻璃上，在惰性气氛烘箱或者真空烘箱中，按照一定热处理程序进行干燥，待干燥后将薄膜剥离，即得到厚度在10‑50微米厚的磺化微孔聚合物铂碳复合膜II。本发明中，磺化微孔聚合物I具有耐高温及高透气性特点；复合膜II具有高机械强度、高导电率及高透气性。

技术领域

本发明涉及燃料电池膜电极的制备领域，具体涉及一种燃料电池用耐高温高透气性磺化微孔聚合物及其铂碳复合膜的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧，直接以电化学反应的方式将燃料和氧化剂中的化学能高效率(50～70％)、环境友好地转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有能量转化率高、功率密度高、环境友好，可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长等优点，成为近几年发展最快的一类燃料电池。

PEMFC的核心组件是膜电极(MEA)，它一般是由质子交换膜，催化层和扩散层组成。到目前为止，H2和O2最好的催化剂材料就是金属铂，铂的用量决定了PEMFC的制备成本。因此如何降低铂的载量，提高铂的利用率是PEMFC应用的关键技术。粘结剂在膜电极的制备中起重要作用，它不仅能充当质子传导介质，而且还有助于增强铂催化剂在催化层中的分散。目前广泛使用的粘结剂是全氟磺酸Nafion，但是由于其气体渗透性较低，与碳氢导电型聚合物膜匹配度不高，工作温度需在80℃以下，含氟材料带来的环境问题等限制了其商业应用。针对Nafion粘结剂存在的问题，制备出一种负载铂碳催化剂(分散于复合膜内)，且具有较高的气体透过性及非常高的质子导电率的耐高温自支撑复合膜对于燃料电池成本降低和工业化生产将具有非常重要的意义。

对于研制高气体渗透性和高导电性的燃料电池用粘结剂，研究者们作了一系列的探索。如在文献(Macromolecular Research.2014,24,92-98)中，作者提出了一种具有高氧气渗透性的磺化自具微孔聚合物燃料电池粘结剂的制备方法，通过对合成的聚合物进行后磺化处理，产物的气体渗透性是Nafion的2000倍，但其不能得到机械性能较好的自支撑磺化自具微孔聚合物膜。研究者还在增加聚合物内自由体积和磺化度，以提高质子导电率上做了大量的研究工作(Polym.Rev.2015,55,307–329；Macromolecules.2013,46,422–433；J.Mater.Chem.2012,22,20907；Polymer.2013,54,4729–4761；J.Am.Chem.Soc.2007,129,3879–3887；Mater.Today Commun.2015,3,114–121；J.Power Sources.2011,196,9876–9883；Polymer.2011,52,1738–1747；Journal of Membrane Science.2018,549,236–243.)。文献(Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2015,23 316–320；Electrochimica Acta,2007,52,4916–4921)报道以磺化的多孔聚合物作膜电极粘结剂有效地提高了燃料电池性能。这些研究均表明：膜内自由体积的增加以及磺化基团的引入均能提高聚合物的导电性。

众所周知，自具微孔聚合物(PIM)是靠自身高刚性和扭曲结构，有效阻碍分子链间的有效堆积从而获得超高的自由体积的一类特殊的聚合物。这类聚合物可以溶解在很多常规有机溶剂中，形成的膜具有高的气体透气性。目前尚无文献报道磺化自具微孔聚合物及其铂碳复合膜的制备方法。

发明内容