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专利号: 2019113466002
申请人: 江苏大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-09-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)气体扩散层的形成:将多孔纤维碳纸或者碳布在沸腾的有机溶剂中洗涤,除去表面杂质,然后在憎水剂中浸泡10~30s,70℃干燥2~3h,置入马弗炉320~400℃烧结15~2

30min形成憎水层,再将碳粉均匀负载于憎水层表面,碳粉的负载量为2~3mg/cm ,70℃干燥2~3h,再置于马弗炉320~400℃烧结15~30min得到预处理的气体扩散层;

(2)质子交换膜的处理:在80℃先后置于质量浓度为3~5wt.%的过氧化氢溶液和0.5~

1mol/L的硫酸溶液中浸泡1~2小时进行预处理,然后用蒸馏水洗涤干净保存在蒸馏水中备用;

(3)催化层的制备:将Pt催化剂、粘结剂、负载磷酸的共价有机框架材料按照质量比为4~10∶1~3∶50分散在有机溶剂中,超声分散为均匀的催化层浆料,喷涂负载于质子交换膜一侧,形成阳极催化层;将Pt催化剂、粘结剂按照质量比为4~10∶1~3分散在有机溶剂中,超声分散为均匀的催化层浆料,喷涂负载于质子交换膜另一侧,形成阴极催化层,70℃干燥2

2~3h,其中所述Pt催化剂在催化层中所占的质量为0.1~0.2mg/cm ,负载磷酸的共价有机框架材料在催化层中所占的质量分数为5~20wt.%;

(4)膜电极的制备:将预处理的气体扩散层分别贴合在阴阳极催化层表面,在3~4MPa热压5~10min即制得自增湿膜电极,应用于燃料电池时相对加湿湿度为38%。

2.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述有机溶剂为丙酮、异丙醇或乙醇。

3.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述有机溶剂为丙酮。

4.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述将多孔纤维碳纸或者碳布在沸腾的有机溶剂中洗涤,除去表面杂质,然后在憎水剂中浸泡20s。

5.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述憎水剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

6.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述憎水剂为聚四氟乙烯。

7.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述在80℃先后置于质量浓度为5wt.%的过氧化氢溶液和1mol/L的硫酸溶液中浸泡1小时进行预处理。

8.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述质子交换膜为厚度5~150 μm的全氟磺酸膜。

9.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述Pt催化剂为铂黑、碳负载铂或碳负载铂合金。

10.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述Pt催化剂为碳负载铂。

11.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述有机溶剂为异丙醇或无水乙醇。

12.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述有机溶剂为异丙醇。

13.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述粘结剂为氟磺酸‑聚四氟乙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的任一种。

14.根据权利要求1所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述粘结剂为全氟磺酸‑聚四氟乙烯。

15.根据权利1‑14任一所述方法制备得到的共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极,其特征在于:至少包括气体扩散层、催化层和质子交换膜,在质子交换膜一侧设有掺杂负载磷酸的共价有机框架材料的催化层,另一侧设有含Pt催化剂的催化层,气体扩散层贴附于催化层表面,热压固化而成。

16.根据权利要求15所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极,其特征在于:所述气体扩散层为多孔纤维碳纸或碳布,厚度为0.10~0.37mm,孔隙率为50~80%;所述催化层,包含催化层粘结剂及铂黑、碳负载铂或碳负载铂合金催化剂中的任一种;所述质子交换膜为厚度5~150μm的高分子聚合物膜。

17.根据权利要求15所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极,其特征在于:所述负载磷酸的共价有机框架材料的孔径为0.3~0.5nm,在催化层中的含量为5~20wt.%。

18.根据权利要求15所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极,其特征在于:所述催化层粘结剂为全氟磺酸‑聚四氟乙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种。

19.根据权利要求15所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极,其特征在于:所述催化层粘结剂为全氟磺酸‑聚四氟乙烯,在催化层中含量为20~35wt.%。

20.根据权利要求15所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极,其特征在于:所述共价有机框架材料,其制备过程为:反应底物为三聚氰胺和对苯二甲醛或其衍生物中的一种,以二甲亚砜为溶剂,150~180℃,氩气保护下反应60~80h,产物依次用N,N‑二甲基甲酰胺、甲醇、四氢呋喃洗涤,真空干燥即得。

21.根据权利要求15所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极,其特征在于:所述负载磷酸的共价有机框架材料,经真空辅助法浸渍负载H3PO4,制备过程为:将70mg共价有机框架材料置于Schlenk烧瓶中120℃真空处理12~36h,抽真空去除共价有机框架上残留的物质及孔内的空气,冷却至80℃后,在真空条件下加入10~40wt% 50 ml的H3PO4溶液,除去真空,搅拌12~18 h,通过孔与外界的压差将H3PO4压入共价有机框架材料的孔内;离心后将材料用超纯水清洗直至上清液呈中性,60~80℃干燥,即得。