一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，属于燃料电池。

背景技术：

1、催化剂层是质子交换膜燃料电池中氢气和氧气发生电化学反应产生电流的场所，是质子交换膜燃料电池不可缺少的部分。质子传输、气体输送和电子转移等对催化剂的活性和利用效率具有重要影响。因此，催化剂层需要具有优异的质子传导性、气体传输性和电子传导性。催化剂层主要由催化剂、离聚物和孔隙区域组成；其中，离聚物主要起承载催化剂，促进氧还原和氢氧化反应发生，以及提供质子传导和气体输送的通道。现有的离聚物大多采用高分子离聚物，例如，全氟磺酸离聚物(pfsa)，特别是系列，主要采用链状结构，具有较高的质子传导性能和耐化学腐蚀性。然而，现有的离聚物虽然具有较好的质子传导性，但是并不具有电子传导性，一定程度上影响了催化剂层整体的电子传导性。现有的研究主要集中在如何提高质子交换膜燃料电池催化剂层的质子传导性，很少有关于质子交换膜燃料电池催化剂层同时具备较高的质子传导性以及电子传导性的相关研究。

2、现有的磺化多孔碳可以应用于多个技术领域。例如，在橡胶领域，磺化碳可以用作橡胶的硫化剂，能够促进橡胶的交联反应，提高橡胶的硬度和强度。此外，磺化碳还可以用于橡胶的防老化剂和促进剂，延长橡胶的使用寿命。在化工生产中，利用磺化碳较高的溶解能力，可以将磺化碳用作溶剂来提取或分离各种化合物，如橡胶加工、染料合成等。在化肥生产中，磺化碳可以与氨气反应生成二硫化碳化氨，在胺肥的合成过程中起到催化剂的作用。二硫化碳化氨是一种重要的中间体，广泛应用于氨肥的生产过程中。在污水处理中，磺化碳可以作为硫化剂，与污水中的重金属离子结合生成不溶于水的硫化物沉淀，从而达到去除重金属离子的目的。这对于减少污水中的重金属污染具有重要意义。在大气污染治理领域，磺化碳可以与大气中的氮氧化物反应生成二硫化碳和二氧化硫等无害物质，从而减少大气中的氮氧化物含量，改善大气环境质量。在医药工业中，磺化碳可以作为一种药物的原料或中间体，用于合成药物。在光伏产业中，磺化碳具有优异的光电性能，可以用作太阳能电池的材料之一，用于提高太阳能电池的能源转化效率和稳定性。磺化碳因其良好的导热性能，还被用作热界面材料和导热膏。例如在电子芯片、高功率电子设备等领域，磺化碳可以有效地传导和分散热量，提高设备的散热效果，确保设备的稳定运行。

3、以上应用多是利用磺化碳的磺酸基特性或碳材料本身的特性，对磺化碳的孔径和比表面积无特别要求。目前，还没有磺化多孔碳在质子交换膜燃料电池催化剂层中应用的相关报道。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物包括磺化多孔碳。所述磺化多孔碳用作质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物时，具有较高质子传导率和气体扩散能力，同时还具有较好的电子导电性，进而提高了整个催化剂层的质子传导率、气体扩散能力和电子导电性，能够解决现有质子交换膜燃料电池催化剂层中存在的相关技术问题。

2、为了实现本发明的目的，提供一下技术方案。

3、一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物为磺化多孔碳，或是由磺化多孔碳与全氟磺酸离聚物共同组成。

4、所述磺化多孔碳具有三维纳米结构，为多孔碳材料经过磺化反应获得，所述多孔碳材料的孔径为1.5nm～50nm。

5、优选地，所述多孔碳材料的孔径为1.5nm～5nm。

6、优选地，所述磺化多孔碳的粒径大于等于500目。

7、优选地，所述磺化多孔碳的比表面积大于等于250m2 g–1。

8、优选地，所述磺化多孔碳材料为孔径大于1.5nm的微孔活性炭材料或者介孔碳材料。

9、优选地，所述离聚物由磺化多孔碳与全氟磺酸离聚物共同组成。

10、更优选，所述磺化多孔碳与全氟磺酸离聚物的质量比为0.5:1～1:1.5；最优选，所述磺化多孔碳与全氟磺酸离聚物的质量比为1:1。

11、一种质子交换膜燃料电池，所述电池中催化剂层的离聚物为本发明所述的离聚物。

12、有益效果

13、(1)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物采用的磺化多孔碳是一种可在水溶液中高度分散的、多孔的三维纳米导电离聚物，具有较大的表面积和孔隙体积，在具有较高质子传导率和气体扩散能力的同时，还具有较好的电子导电性，进而提高整个催化剂层的质子传导率、气体扩散能力和电子导电性。所述磺化多孔碳作为多孔导电离聚物，其多孔导电性使得催化剂层中的离子交换容量较大，能够达到1.7meq g–1，提高离子的传输性能，进而提高燃料电池的功率密度。所述磺化多孔碳还具有较好的热稳定性和化学稳定性，作为催化层的离聚物时，可以提高该催化剂层的热稳定性和化学稳定性。

14、(2)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，传统的电极离聚物为柔性链状高分子，容易对催化剂形成紧密包裹，使得离聚物中的磺酸基很容易与铂的活性位点发生相互作用，产生对催化剂的毒化作用。

15、本发明离聚物采用的磺化多孔碳为三维纳米结构，在水溶液中能够高度分散，磺化多孔碳中的骨架碳结构为刚性结构，不会对催化剂紧密包裹，位于孔道内部的磺酸基也能够避免磺酸基与催化剂的直接接触，因此基本不存在对催化剂过度包裹和占据铂的活性位点的毒化作用，可提高催化剂利用率，进而提高质子交换膜燃料电池的功率密度，降低发电成本。

16、(3)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物采用的磺化多孔碳采用多孔碳材料的磺化反应获得，且多孔碳材料的孔径为1.5nm～50nm；实验证明，小于该孔径范围的磺化多孔碳无法起到减小催化剂层气体扩散阻力的作用，对燃料电池的最终性能并没有有利影响；而高于这个孔径范围的磺化多孔碳，其孔径属于大孔范围，对燃料电池的最终性能也没有有利作用。

17、(4)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物优选由磺化多孔碳与全氟磺酸离聚物共同组成；其中，磺化多孔碳为刚性结构，全氟磺酸离聚物为柔性结构，在磺化多孔碳的基础上进一步添加全氟磺酸离聚物，能够降低质子传导阻力，提升质子交换膜燃料电池催化剂层的质子传导性。

18、(5)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物优选由磺化多孔碳与全氟磺酸离聚物按照质量比为0.5:1～1:1.5组成，在此用量条件下，可以在充分发挥多孔导电离聚物的导电多孔性能的同时，有效避免全氟磺酸离聚物对催化剂颗粒的过度包裹，提高催化剂的利用率。

19、(6)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物采用的磺化多孔碳的粒径优选大于或者等于500目；该粒径范围的磺化多孔碳能够在水溶液中更加高度分散，进一步减小对催化剂过度包裹和占据活性位点的毒化作用，而且，该粒径范围的磺化多孔碳能够在燃料电池催化剂层中均匀分布。

20、(7)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物采用的磺化多孔碳的比表面积优选大于等于250m2 g–1；比表面积越大越有利于反应气体的扩散，且有利于进一步提高磺化多孔碳的离子交换容量。

21、(8)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池催化剂层的离聚物，所述离聚物采用的磺化多孔碳通过孔径大于1.5nm的微孔活性炭材料或者介孔碳材料的磺化反应来制备，原料成本价格较低，合成操作简单，可形成规模化生产。

22、(9)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池，所述电池中催化剂层的离聚物为本发明所述的离聚物，可以使得所述催化剂层同时具有较好的质子传输功能、电子导电性、气体传输性能和离子交换容量，因此，采用所述催化剂层的质子交换膜燃料电池的功率密度、电流密度和电化学比表面积均得到提高，功率密度提高到1.5倍左右；同时还降低了质子交换膜燃料电池的阻抗。