一种组合式膜电极及制备方法

本发明属于电池领域，涉及一种燃料电池技术，具体涉及一种组合式膜电极及制备方法。

背景技术：

1、全球变暖是当今人类社会面临的重大挑战之一，化石燃料的广泛使用虽然大大加速了世界经济发展但也造成了严重的温室效应和环境污染问题，并且其有限的储量还导致了能源危机和地区冲突。近些年来，基于电化学反应的“能量/物质转化”受到广泛的关注，包括燃料电池、水电解、二氧化碳电还原等技术高速发展。我们有望基于可再生能源建立新的社会能源结构体系，从而摆脱对化石能源的依赖。为提高上述装置的能量密度和空间利用率，聚合物电解质被广泛使用，例如可以传导阳离子的nafion(全氟磺酸基聚合物)和可以传导阴离子的qappt(季胺化聚芳基哌啶共聚物)。通常，该类装置的核心采取对称的“五合一”结构，称为膜电极(mea)，如图1所示，膜电极依次包括第一气体扩散层、阳极催化层(阳极)、聚电解质膜、阴极催化层(阴极)和第二气体扩散层，膜两侧是进行电化学反应的催化层，气体反应物或者产物则通过外侧的气体扩散层进行传导。催化层很薄，一般只有几十微米，低载量时甚至只有几微米，且机械强度较差，因此需要将催化层涂覆于膜或气体扩散层上，有时还需要热压得到一体化的膜电极结构。

2、对于目前主流的质子交换膜燃料电池(以下称pemfc)而言，结构原理如图2所示，根据反应原理可以看出，酸性电池的阳极不产生水，阴极产生水，阴极需要排走大量的水，如果排水不及时就会造成阴极水淹风险；阳极的酸性环境使得催化剂的氢氧化活性提高，但也使得阴极的氧还原活性下降，因此pemfc电池阴极需要更厚的催化剂载量以达到一定的电池性能，这极大提高了pemfc的成本。对于阴离子交换膜燃料电池(以下称aemfc)而言，结构原理如图3所示，根据反应原理可以看出，碱性电池的阳极产生水，阴极消耗水，阴极需要补充大量的水，阳极需要排走大量水，阳极排水不及时时会造成水淹问题，造成反应气体传质受阻，电池性能变差；另外阴极的碱性环境使得催化剂氧还原活性提高，并且阴极可以使用非贵金属催化剂，这大大降低了成本。但是aemfc具有致命问题，它无法在空气条件下运行，通入的氧气中存在二氧化碳时会大幅降低电池性能。因此无论是pemfc还是aemfc在应用上均有其局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种组合式膜电极及制备方法，使得阳极电极环境为酸性，阴极电极环境为碱性，中间隔膜为酸性。一方面可以提高电池阳极的氢氧化动力学与阴极的氧还原动力学从而得到更优异的电池性能，另一方面也能使得阴极的催化剂载量能够进一步降低甚至更改为非贵金属催化剂以降低整体电池的成本。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术手段如下：

3、一方面，本发明提供一种组合式膜电极，包括依次包括第一气体扩散层、阳极、聚电解质膜、阴极和第二气体扩散层，所述阳极采用含有酸性聚合物的阳极催化剂浆料制成，聚电解质膜采用酸性聚合物制成，阴极采用含有碱性聚合物的阴极催化剂浆料制成。

4、作为一种优选技术方案，所述酸性聚合物为全氟磺酸基聚合物。

5、进一步优选，所述全氟磺酸基聚合物包括但不限于nafion nr211，nafion nr212，nafion hp，nafion xl等。

6、作为一种优选技术方案，所述碱性聚合物为季胺化聚芳基哌啶共聚物。

7、进一步优选，所述季胺化聚芳基哌啶共聚物包括但不限于季铵化对三联苯-甲基哌啶共聚物(qappt)、季铵化联苯-甲基哌啶共聚物(qappp)、季铵化对三联苯-乙基哌啶共聚物(qac2ppt)、季铵化联苯-乙基哌啶共聚物(qac2ppp)。

8、作为一种优选技术方案，所述阳极附着在第一气体扩散层上，所述阳极中的催化剂为ptru/c催化剂或pt/c催化剂。

9、作为一种优选技术方案，所述阴极附着在第二气体扩散层上，所述阴极中的催化剂为pt/c催化剂。

10、作为一种优选技术方案，第一气体扩散层与第二气体扩散层的厚度均在50-200μm范围。

11、作为一种优选技术方案，阳极、阴极的催化层厚度均在0.5-15μm范围内；聚电解质膜的厚度在20-60μm范围内。

12、作为一种优选技术方案，阳极的催化剂载量为0.01～0.4mg/cm2。

13、进一步优选，阳极的催化剂载量为0.025～0.3mg/cm2。

14、作为一种优选技术方案，阴极的催化剂载量为0.05～0.4mg/cm2。

15、进一步优选，阴极的催化剂载量为0.1～0.3mg/cm2。

16、另一方面，本发明提供一种组合式膜电极的制备方法，包括以下步骤：

17、将含有酸性聚合物的阳极催化剂浆料涂覆于第一气体扩散层上，烘干后得到阳极组件；

18、将含有将碱性聚合物的阴极催化剂浆料涂覆于第二气体扩散层上，烘干后得到阴极组件；

19、将阴极组件置于底部，将酸性聚合物制成的聚电解质膜覆盖在阴极组件上，将阳极组件覆盖在聚电解质膜上，对准后热压，组装得到组合式膜电极。

20、作为一种优选技术方案，阴极催化剂浆料采用pt/c催化剂与碱性聚合物通过溶剂分散混合得到。

21、作为一种优选技术方案，阴极组件中，阴极催化剂和碱性聚合物的质量比为3/1～5/1。

22、作为一种优选技术方案，阳极催化剂浆料采用ptru/c催化剂浆料与酸性聚合物通过溶剂分散混合得到。

23、作为一种优选技术方案，阳极组件中，阳极催化剂和酸性聚合物的质量比为3/1～5/1。

24、进一步优选，所述溶剂包括正丙醇、乙醇、乙醇水混合液。

25、作为一种优选技术方案，热压温度为120℃-140℃，热压压力为0.1mpa-0.2mpa，热压时间为1-5min。

26、本发明还保护一种燃料电池，采用上述组合式膜电极作为膜电极组装得到。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

28、1、不同于pemfc与aemfc，利用本发明组合式膜电极组装成的电池可以在更低湿度甚至完全干气的条件下进行稳定、高效地工作

29、2、不同于pemfc，利用本发明组合式膜电极组装成的电池可以使用更低的阴极催化剂载量来达到优异的电池性能，即更低成本实现与pemfc相同性能；

30、3、利用本发明组合式膜电极组装成的电池可以使用空气作为阴极反应气体且性能与合成空气相差无几，而aemfc使用空气时性能比合成空气通常下降一半以上；

31、4、利用本发明组合式膜电极组装成的电池工作条件为75℃(上下10℃)等相对温和环境，避开了低温或者高温对聚合物膜的影响；

32、5、本发明组合式膜电极的制备流程简单，与现有的gde制备工艺相近，只需要部分改变电极墨水材料即可实现以上优势，总体设备投资成本少，具备极高实用价值；

技术特征：

1.一种组合式膜电极，包括依次包括第一气体扩散层、阳极、聚电解质膜、阴极和第二气体扩散层，其特征在于，所述阳极采用含有酸性聚合物的阳极催化剂浆料制成，聚电解质膜采用酸性聚合物制成，阴极采用含有碱性聚合物的阴极催化剂浆料制成。

2.根据权利要求1所述的组合式膜电极，其特征在于，所述酸性聚合物为全氟磺酸基聚合物。

3.根据权利要求1所述的组合式膜电极，其特征在于，所述碱性聚合物为季胺化聚芳基哌啶共聚物。

4.根据权利要求1所述的组合式膜电极，其特征在于，所述阳极附着在第一气体扩散层上，所述阳极中的催化剂为ptru/c催化剂或pt/c催化剂。

5.根据权利要求1所述的组合式膜电极，其特征在于，所述阴极附着在第二气体扩散层上，所述阴极中的催化剂为pt/c催化剂。

6.根据权利要求1所述的组合式膜电极，其特征在于，第一气体扩散层第二气体扩散层的厚度均为50-200μm；所述聚电解质膜的厚度为20-60μm。

7.一种权利要求1所述的组合式膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述组合式膜电极的制备方法，其特征在于，阴极催化剂浆料采用pt/c催化剂与碱性聚合物通过溶剂分散混合得到。

9.根据权利要求8所述组合式膜电极的制备方法，其特征在于，阳极催化剂浆料采用ptru/c催化剂浆料与酸性聚合物通过溶剂分散混合得到。

10.一种燃料电池，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述组合式膜电极作为膜电极组装得到。

技术总结
本发明公开了一种组合式膜电极及制备方法，首先将含有酸性聚合物的阳极催化剂浆料涂覆于第一气体扩散层上，烘干后得到阳极组件；然后将含有将碱性聚合物的阴极催化剂浆料涂覆于第二气体扩散层上，烘干后得到阴极组件；最后将阴极组件置于底部，将酸性聚合物制成的聚电解质膜覆盖在阴极组件上，将阳极组件覆盖在聚电解质膜上，对准后热压，组装得到组合式膜电极。利用本发明组合式膜电极组织能得到新型的燃料电池，本发明改变了传统酸性电池或者碱性燃料电池的基本结构，使得阳极不产生水，阴极消耗水，阴极与膜界面处产生水，避免了水大量进入扩散层影响气体传质过程中；另外本发明阴阳两极进气都不需要加湿电池就可以工作，省掉了加湿器等装置。

技术研发人员：庄林,肖丽,卢善富,周宇恒,张新凯
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21