本發明專利技術公開了一種復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極及其制備方法。該膜電極包含堿性陰離子交換膜、電極層，該堿性陰離子交換膜是通過鹵原子與叔胺發生親核取代反應，得到季胺化聚環氧氯丙烷，再與多孔聚四氟乙烯膜復合而成；該電極層包含氫電極和氧電極，該氫電極包含氣體擴散層及噴涂在其上的氫電極催化層，該氧電極包含氣體擴散層及噴涂在其上的氧電極催化層；該膜電極是按照氫電極、堿性陰離子交換膜、氧電極的組合順序一體化成型形成；該氣體擴散層采用碳材料為基體，添加疏水性聚合物形成。本發明專利技術所涉及的堿性膜電極，其堿性陰離子交換膜合成方法簡單、離子傳導率高，可選用成本較低的非鉑基催化劑，適用于堿性陰離子交換膜燃料電池。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于燃料電池領域，涉及一種膜電極，具體涉及一種燃料電池用復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極及其制備方法。
技術介紹
堿性燃料電池(AFC)是第一種應用于實際的燃料電池，其最大的優點在于陰極氧化還原動力學優越，可以采用低載量Pt催化劑甚至非Pt催化劑。其工作原理是，陽極氫氣與氫氧根離子在電催化劑的作用下，發生氧化反應生成水和電子，電子通過外電路傳導到陰極，在陰極催化劑的作用下，與氧氣和水反應生成氫氧根離子，生成的氫氧根離子通過電解質遷移到陽極繼續參與反應。然而傳統堿性燃料電池采用的是液體電解質(氫氧化鉀溶液)，不但具有較強的腐蝕性，而且只適用純氫、純氧反應劑，對CO2等酸性雜質氣體敏感、性能急劇下降。 堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)的提出，避免了傳統堿性燃料電池的缺陷與不足。AAEMFC具有以下明顯優勢(I) AAEMFC與傳統AFC—樣，最大的優點在于電極反應?？梢詼p少貴金屬的使用量，可用鈷、銀、鎳替代鉬。在堿性介質中，甲醇氧化比在酸性介質中更徹底，氧還原動力學在堿性條件下更優越；(2)陰離子交換膜中不存在Na+、K+等可移動的金屬陽離子，不會形成金屬碳酸鹽破壞電解質和電極層；(3)堿性介質中，氧自由基對聚合物膜的破壞被抑制，因此選用無氟聚合物電解質膜更有可能降低環境污染；(4)AAEMFC中，水在陽極產生，在陰極消耗，系統水管理大大簡化；(5)使用固體電解質，不存在漏液、強腐蝕性等問題，可采用低成本金屬雙極板。目前AAEMFC的技術難度在于缺乏一種高效、穩定的堿性聚合物膜電極。主要原因之一是缺乏一種可適用于燃料電池的陰離子交換膜(AAEM)，由于OH—的遷移速率不足H+的1/4，AAEM的電導率低于PEM ；AAEM抗高溫性能差，大多在彡60°C時發生降解；化學穩定性較差，機械強度較低。另一個主要原因是缺乏可適用于堿性固體電解質的電極，傳統堿性燃料電池中的疏水性電極和質子交換膜燃料電池的酸性體系電極并不適用于AAEMFC。
技術實現思路
本專利技術的目的解決上述技術問題，提供一種高效、穩定的堿性陰離子交換膜燃料電池的膜電極。為達到上述目的，本專利技術提供了一種復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極，該膜電極包含堿性陰離子交換膜、電極層，其中 所述堿性陰離子交換膜是通過聚環氧氯丙烷的氯原子與叔胺的親核取代反應，得到季胺化聚環氧氯丙烷，然后與多孔聚四氟乙烯膜復合而成； 所述電極層包含氫電極和氧電極，所述的氫電極包含氣體擴散層及噴涂在該氣體擴散層上的氫電極催化層，所述的氧電極包含氣體擴散層及噴涂在該氣體擴散層上的氧電極催化層；所述膜電極是按照氫電極、堿性陰離子交換膜、氧電極的組合順序一體化成型形成； 其中，所述的氣體擴散層采用碳材料為基體，添加疏水性聚合物形成。上述的復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極，其中，所述的叔胺選擇N, N, N', N' -四甲基-1,6-甲二胺、N, N, N',N' -四甲基 _1，6_ 乙二胺、N，N，N'，N' -四甲基-1,6-丙二胺或N，N, N'，N'_四甲基-1,6-己二胺中的任意一種。上述的復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極，其中 所述的氫電極催化層包含鉬基催化劑和聚合物乳液； 所述的氧電極催化層包含鉬基催化劑和聚合物乳液；或者，非鉬基催化劑和聚合物乳液； 其中，所述鉬基催化劑為Pt黑或40%Pt/C，所述非鉬基催化劑為Ni、Ag、Co或其碳載型Ni、Ag、Co催化劑；所述聚合物乳液為聚全氟乙丙烯、Nafion (Nafion屬于全氟磺酸類聚合物，是杜邦公司專利產品，無中文譯名)或季胺化聚合物乳液中的一種或幾種。所述季胺化聚合物是指支鏈上帶有季胺基團的脂肪族或芳香族高分子聚合物，如本文中所提及的季胺化聚環氧氯丙烷，還有季胺化聚氯苯乙烯(脂肪族主鏈)、季胺化聚砜(芳香族主鏈)等等。優選地，本專利技術所采用的季胺化聚合物乳液選擇與膜材料相同的季胺化聚環氧氯丙烷，或者，Tokuyama公司的AS-χ乳液(具有季胺化支鏈，詳細結構未公開)。上述的復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極，其中，所述的氣體擴散層的基體采用的碳材料為碳紙或者碳布，添加聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯進行疏水處理。本專利技術還提供了一種上述的復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極的制備方法，該方法包含以下具體步驟 步驟1，堿性陰離子交換膜制備 步驟I. 1，將聚環氧氯丙烷溶解在N，N-二甲基亞砜中，邊攪拌邊加熱，至溫度80-100。。； 步驟I. 2，在惰性氣氛下，向上述聚環氧氯丙烷溶液中，加入以聚環氧氯丙烷的重量計為30wt%-85wt%的叔胺,反應12-48小時,反應完成后移出溶液,過濾后備用，得到季胺化聚環氧氯丙烷； 步驟I. 3，向上述步驟I. 2所得的季胺化聚環氧氯丙烷均一溶液中加入乙醇和丙酮，攪拌O. 5-2小時，形成10-20wt%的均勻成膜溶液； 步驟I. 4，將上述成膜溶液澆鑄到經過預處理的多孔聚四氟乙烯薄膜中，在60-80°C加熱蒸發溶劑，在60-120°C真空熱處理4-20小時，即得所需陰離子交換膜； 步驟2，電極層的制備 步驟2. 1，擴散層基底憎水處理將擴散層基底材料碳紙或碳布用聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯乳液處理并進行燒結，先在120-130°C燒結15-30min，然后在280-350°C燒結15-30min ;其中，碳紙或碳布是在整個氣體擴散電極中起到支撐的作用，但為了能夠有效傳導氣體，故對其進行疏水處理(水會阻礙氣體傳導); 步驟2. 2，擴散層的制備將碳粉和聚全氟乙丙烯乳液進行調和，制備氣體擴散層漿料，然后，將該擴散層漿料噴涂到步驟2. I中憎水處理后的基底材料上，先在120-130°C燒結15-30min，然后在280-350°C燒結15_30min，并進行滾壓整平，形成氣體擴散層；其中，對碳紙或碳布進行整平(因為微觀上，碳紙是多孔的)，如果不整平處理，在后續涂布催化層時，大量的催化劑會填充到碳紙或碳布的孔隙中，遠離電解質，起不到應有的催化作用；步驟2. 3，催化層的制備將催化劑漿料各組分均勻混合，噴涂到制備好的擴散層上，然后在50-80°C的烘箱中干燥，形成催化層；該擴散層及其上噴涂的催化層構成電極層，分別得到氫電極和氧電極； 步驟3，堿性聚合物膜電極組件制備 步驟3. I，將步驟I制得的陰離子交換膜浸潰在KOH溶液中，將Cl 一置換為OH —，用去離子水反復沖洗后晾干備用； 步驟3. 2，剪裁合適大小的氫電極和氧電極放置在堿性陰離子交換膜上下兩側，上下對齊、配合完好，通過壓機熱壓處理，壓機的壓力為l_6MPa，熱壓溫度為80-100°C，持續時間60-150S，打開壓機，自然冷卻后取出制得的膜電極。上述的復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極的制備方法，其中，步驟I. 3中，所 述的季胺化聚環氧氯丙烷在乙醇和丙酮的濃度為14wt%。本專利技術所采取的技術方案是通過親核取代反應制備季胺化聚環氧氯丙烷，再與多孔聚四氟乙烯復合成膜，制備陰離子交換膜，所制備的陰離子交換膜成膜性好、制備方法簡單、毒性污染小，并且具有較好的熱穩定性和較高的離子傳導率；然后制備適合于堿性固體電解質的電極，按照氫電極一堿性陰離子交換膜一氧電極的組合順序一體化成型形成膜電本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種復合型聚環氧氯丙烷堿性聚合物膜電極，該膜電極包含堿性陰離子交換膜、電極層，其特征在于：所述堿性陰離子交換膜是通過聚環氧氯丙烷的氯原子與叔胺發生親核取代反應，得到季胺化聚環氧氯丙烷，然后與多孔聚四氟乙烯膜復合而成；所述電極層包含氫電極和氧電極，所述的氫電極包含氣體擴散層及噴涂在該氣體擴散層上的氫電極催化層，所述的氧電極包含氣體擴散層及噴涂在該氣體擴散層上的氧電極催化層；所述膜電極是按照氫電極、堿性陰離子交換膜、氧電極的組合順序一體化成型形成；其中，所述的氣體擴散層采用碳材料為基體，添加疏水性聚合物形成。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱榮杰，王濤，張偉，劉向，孫毅，張新榮，
申請(專利權)人：上?？臻g電源研究所，
類型：發明
國別省市：
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