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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,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;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。

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,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5wt.%~

20wt.%。

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,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,优选全氟磺酸-聚四氟乙烯,在催化层中含量为20wt.%~35wt.%。

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,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。

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,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。

6.制备如上述权利要求1-5任一所述共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极的方法,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,优选20s,70℃干燥2~3h,置入马弗炉320~400℃烧结

15~30min形成憎水层,再将碳粉均匀负载于憎水层表面,所述碳粉的负载量为2~3mg/cm2,70℃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,优选5wt.%的过氧化氢溶液和1mol/L的硫酸溶液浸泡1小时预处理;

(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

2~3h,其中所述Pt催化剂在催化层中所占的质量为0.1~0.2mg/cm2,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。

7.根据权利要求6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,优选丙酮。

8.根据权利要求6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,优选聚四氟乙烯。

9.根据权利要求6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;所述Pt催化剂为铂黑、碳负载铂或碳负载铂合金,优选择碳负载铂。

10.根据权利要求6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,优选异丙醇;所述催化层的粘结剂为氟磺酸-聚四氟乙烯、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的任一种,优选全氟磺酸-聚四氟乙烯。