膜电极组件以及微孔膜在膜电极组件中的应用

摘要

本发明提供了一种膜电极组件，其特征在于，包括电解质膜、电极、以及微孔膜；所述电极由碳浆料涂覆基体而来，所述碳浆料包括可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团；所述微孔膜位于所述电解质膜和所述电极之间，用于防止所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团迁移到所述电解质膜。本发明涉及用于燃料电池和基于聚唑磷酸聚合物电解质膜(PEM)的氢气净化装置的膜电极组件(MEA)中的可溶性铂配体化合物的使用，同时，通过使用超滤膜将电极与电解质膜分离，防止铂配体化合物从电极迁移到电解质膜中，从而降低高效高温质子交换膜燃料电池或氢气净化装置所需的催化剂水平。

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及膜电极组件以及微孔膜在膜电极组件中的应用。

背景技术

近年来，对非化石燃料清洁电力的需求急剧增加。这一需求集中在许多技术上，包括使用质子传导聚合物电解质膜电池以氢为燃料发电和供热的系统，如质子交换膜燃料电池。目前，质子交换膜燃料电池一般分为低温质子交换膜(60-80℃)和高温质子交换膜(120-160℃)两大类。所谓的低温质子交换膜(PEM)电池是以水为电解液，使用含共价键合的磺酸基团的含氟聚合物。杜邦公司的

虽然近几十年来质子交换膜燃料电池系统取得了重大进展，但该技术的能源成本在许多应用中仍然缺乏竞争力。燃料电池电器的材料成本，主要是贵金属催化剂的费用是其中一需要降低成本的重要问题。

发明内容

本发明的主要目的在于弥补现有技术的不足，提供一种能更有效地利用贵金属催化剂的体系或方法。具体地，本发明提出了一种膜电极组件，其特征在于，包括电解质膜、电极、以及微孔膜；

所述电极由碳浆料涂覆基体而来，所述碳浆料包括可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团；

所述微孔膜位于所述电解质膜和所述电极之间，用于防止所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团迁移到所述电解质膜。

根据本发明一具体实施方式，所述贵金属催化剂的原子选自铂原子。

根据本发明一具体实施方式，所述配体化合物中的配体选自氧、氮、硫或磷或它们的任何组合。

根据本发明一具体实施方式，所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团由氯化铂盐与醇在聚(二甲基硅氧烷)-聚(乙二醇)反应而来。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜的平均孔径为10-100nm。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜的平均孔径为10-25nm。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜选自聚醚砜。

本发明还提出了一种微孔膜在燃料电池或氢气净化装置中的膜电极组件的应用，其特征在于，所述膜电极组件的电极由碳浆料涂覆基体而来，所述碳浆料包括可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团，所述微孔膜用于防止所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团迁移。

根据本发明一具体实施方式，所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团由氯化铂盐与醇在聚(二甲基硅氧烷)-聚(乙二醇)反应而来。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜的平均孔径为10-100nm。

本发明还提出了包括如前任一膜电极组件的燃料电池或氢气净化装置。

本发明涉及用于燃料电池和基于聚唑磷酸聚合物电解质膜(PEM)的氢气净化装置的膜电极组件(MEA)中的可溶性铂配体化合物的使用，同时，通过使用超滤膜将电极与电解质膜分离，防止铂配体化合物从电极迁移到电解质膜中，从而降低高效高温质子交换膜燃料电池或氢气净化装置所需的催化剂水平。

具体实施方式

本发明的主要目的之一在于，提供一种能减少贵金属催化剂使用的体系或方法。

在电极制备过程，通常需向碳载体分散小颗粒贵金属催化剂，如铂，然而只有这些粒子的表面原子才是有效的催化剂，而那些低于表面且不与反应氢或氧接触的铂原子不能参与电极的主要功能。因此，这种催化剂的配置方式实际上增加了成本，且对产品的性能也没有提高。通常来说，相对于贵金属颗粒，铂原子作为催化剂，通过将活性催化剂位点的大小减小到原子水平，从而使负载在阳极或阴极的总铂能得到更充分地利用。该催化溶液中包括孤立的铂原子，这些铂原子由于与盐酸盐、以及PDMS和PEG配体的氧原子的相互作用而防止聚集的产生。据此，本发明提出了一种膜电极组件，其特征在于，包括电解质膜、电极、以及微孔膜；

所述电极由碳浆料涂覆基体而来，所述碳浆料包括可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团；

所述微孔膜位于所述电解质膜和所述电极之间，用于防止所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团迁移到所述电解质膜。

通常来说，如果增加燃料电池性能需要更高的POLSAP(多有机配体单原子铂溶液)负载，在本发明中，可以使用选择性微孔超滤膜来防止电极上的POLSAP迁移到电解质膜中。具有控制尺寸的亲水孔的膜可以是市售的，它允许氢离子、即质子化水从阳极穿过电解质膜，以及允许磷酸电解质自由地通过两个电极。质子化磷酸存在于100％磷酸电解液中时，极易通过超滤膜到达两个电极及其与电解液膜之间。比这两个质子化部分大得多的POLSAP分子被阻止从电极催化剂层中迁移出来，因此其被保留在电极的三相区。

而且，通常PEM燃料电池的MEAs在阴极上使用较高的铂负载。当这种负载使得碳吸附足以保持POLSAP的位置时，阴极和电解液之间的超滤层就成为必要的。由于本发明的超滤的目的是防止POLSAP迁移到电解质膜中，因此也可以理解，在一些MEA结构中，只有MEA的阴极侧使用超滤膜。

根据本发明一具体实施方式，所述贵金属催化剂的原子选自铂原子。

根据本发明一具体实施方式，所述配体化合物中的配体选自氧、氮、硫或磷或它们的任何组合。

根据本发明一具体实施方式，所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团由氯化铂盐与醇在聚(二甲基硅氧烷)-聚(乙二醇)(PDMS-PEG)反应而来。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜的平均孔径为10-100nm。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜的平均孔径为10-25nm。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜选自聚醚砜。典型地，亲水性微孔聚醚砜被选择用于此。例如，Millipore、Pall和Repligen公司都以平板形式生产这种膜。该膜允许氢离子(H

或者，上述超滤微孔膜可以设置于电解质膜的两侧。虽然在本发明中提出了聚醚砜型聚合物，但本领域技术人员可能想到的其他材料和聚合物在微孔膜中为本文所述的目的可以同样地起作用。

本发明还提出了一种微孔膜在燃料电池或氢气净化装置中的膜电极组件的应用，其特征在于，所述膜电极组件的电极由碳浆料涂覆基体而来，所述碳浆料包括可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团，所述微孔膜用于防止所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团迁移。

根据本发明一具体实施方式，所述可溶或可分散的贵金属催化剂的原子、配体化合物、络合物、复合物或基团由氯化铂盐与醇在聚(二甲基硅氧烷)-聚(乙二醇)反应而来。

根据本发明一具体实施方式，所述微孔膜的平均孔径为10-100nm。

本发明还提出了包括如前任一膜电极组件的燃料电池或氢气净化装置。

本领域技术人员清楚地知道，上述POLSAP的使用可以有许多方式，并不以实施方式所列举的为限。

可以将本发明的方法与传统方法制成的电极结合使用，或者与已经包含POLSAP催化剂的电极结合使用，或将这三种方法结合起来，在高温质子交换膜技术中使用POLSAP催化。

应当指出，以上仅实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。