膜电极组件及其制备方法和燃料电池膜电极与流程

本发明涉及燃料电池，具体而言，涉及一种膜电极组件及其制备方法和燃料电池膜电极。

背景技术：

1、燃料电池(fuel cells)是一种工作效率高，对环境友好的新型发电装置，有望成为21世纪主要能源。质子交换膜燃料电池(pemfc)最为理想的燃料为纯氢，但高纯氢气制备成本高，运输困难，安全性低，很难实现社会化大规模应用。而目前最广泛的以醇类、天然气、汽油等化学物质催化重整制氢方式中会产生很多副产物，如一氧化碳等。目前pemfc中的膜电极常常采用铂系合金作为催化剂，但是即使微量的co也极易吸附在pt催化剂表面，阻碍h2的吸附解离，使催化剂中毒，从而大幅度降低燃料电池的性能和寿命。

2、此外，车用质子膜燃料电池在运行期间可能会出现双极板流道堵塞，冷启动中流道中的水结冰堵塞流动等，此现象造成阳极氢气供应不足，导致阳极电势高于阴极电势，为了维持电荷平衡，阳极侧发生水电解和碳腐蚀反应。碳腐蚀原则上是不可逆的。再者，碳载体腐蚀后，pt颗粒脱落团聚导致电化学活性面积下降和其反应产生的co毒化pt催化剂，进一步降低了催化剂活性，电池性能严重衰减，如果反极时间足够长时，电堆还会出现短路，甚至发生爆炸，引发安全事故。

3、因此，研发抗co中毒和抗反极功能化的燃料电池膜电极对pemfc的大规模应用具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种膜电极组件及其制备方法和燃料电池膜电极，以解决现有技术的燃料电池的膜电极常常采用铂系合金作为催化剂，但制氢过程中产生的副产物co会使催化剂中毒，导致电池性能严重衰减，甚至会引发安全事故的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种膜电极组件，该膜电极组件包括基膜和附着于基膜上的阳极催化剂层，该阳极催化剂层的材料包括第一全氟磺酸树脂、催化剂ptru/c和第一抗反极催化剂iro2。

3、进一步地，第一全氟磺酸树脂、催化剂ptru/c和第一抗反极催化剂iro2的质量比为2～4:1:0.1～0.24。

4、进一步地，第一全氟磺酸树脂的ew值选自720、725、790、800或1000中的至少一种；和/或，催化剂ptru/c中，pt的质量含量为25～35％，ru的质量含量为20～30％。

5、进一步地，膜电极组件还包括设置于阳极催化剂层表面的抗反极层，该抗反极层的材料为第二全氟磺酸树脂和第二抗反极催化剂iro2。

6、进一步地，第二全氟磺酸树脂和第二抗反极催化剂iro2的质量比为0.2～0.4:0.5～0.8。

7、进一步地，第二全氟磺酸树脂的ew值选自720、725、790、800或1000中的至少一种。

8、进一步地，基膜为聚合物膜，优选为ptfe膜，厚度为150～200μm。

9、进一步地，阳极催化剂层的厚度为3～5μm。

10、进一步地，抗反极层的厚度为0.5～0.8μm。

11、为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种膜电极组件的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，将催化剂ptru/c、第一抗反极催化剂iro2和第一全氟磺酸树脂的醇溶液混合，得到阳极催化剂浆料；步骤s2，将阳极催化剂浆料涂覆于基膜上，经过烘干，转印形成阳极催化剂层，得到膜电极组件；其中，催化剂ptru/c、第一抗反极催化剂iro2和第一全氟磺酸树脂、基膜、阳极催化剂层各自独立地具有上述第一方面中的相同含义。

12、进一步地，步骤s1，先将催化剂ptru/c和第一抗反极催化剂iro2分别在水中浸润后再与第一全氟磺酸树脂的醇溶液混合。

13、进一步地，第一全氟磺酸树脂的醇溶液的溶剂为低碳醇，该低碳醇包括正丙醇、异丙醇、乙醇、乙二醇、甲醇、正丁醇中的至少一种。

14、进一步地，将催化剂ptru/c和第一抗反极催化剂iro2和第一全氟磺酸树脂的醇溶液混合后进行研磨处理，得到阳极催化剂浆料，研磨的时间优选为1～5h。

15、进一步地，步骤s2，烘干的温度为60～120℃，时间为1～5h。

16、进一步地，步骤s2还包括：在阳极催化剂层的表面设置抗反极层，该抗反极层的制备方法包括：步骤s2a，将第二全氟磺酸树脂的醇溶液和第二抗反极催化剂iro2混合，得到抗反极浆料；步骤s2b，将抗反极浆料涂覆在阳极催化剂层的表面，烘干形成抗反极层，其中，第二全氟磺酸树脂和第二抗反极催化剂iro2具有上述第一方面中的相同含义。

17、进一步地，步骤s2a，先将第二抗反极催化剂iro2分散在水中，得到第二抗反极催化剂iro2分散液，再将第二抗反极催化剂iro2分散液与第二全氟磺酸树脂的醇溶液混合。

18、进一步地，将第二全氟磺酸树脂的醇溶液和第二抗反极催化剂iro2混合后进行研磨处理，得到所述抗反极浆料。

19、在本申请的第三种典型实施方式中，还提供了一种燃料电池膜电极，该燃料电池膜电极包括上述第一个方面提供的任一种膜电极组件或上述第二个方面提供的任一种制备方法得到的膜电极组件。

20、应用本申请提供的技术方案，采用催化剂ptru/c和第一抗反极催化剂iro2与第一全氟磺酸树脂配合作为阳极催化剂层的材料，利用ru改变了co在催化剂表面的吸附状态，降低了吸附能，从而增强了膜电极抗co中毒性能，并且通过第一抗反极催化剂iro2与催化剂ptru/c配合，在不影响膜电极性能的同时大幅提升了膜电极的抗反极时间，降低了对反应气氢气纯度的要求，适用于以重整气为原料的燃料电池的应用，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种膜电极组件，其特征在于，膜电极组件包括基膜和附着于所述基膜上的阳极催化剂层，所述阳极催化剂层的材料包括第一全氟磺酸树脂、催化剂ptru/c和第一抗反极催化剂iro2。

2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一全氟磺酸树脂、所述催化剂ptru/c和所述第一抗反极催化剂iro2的质量比为2～4:1:0.1～0.24。

3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一全氟磺酸树脂的ew值选自720、725、790、800或1000中的至少一种；

4.根据权利要求1至3中任一项所述的膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件还包括设置于所述阳极催化剂层表面的抗反极层，所述抗反极层的材料为第二全氟磺酸树脂和第二抗反极催化剂iro2；

5.一种膜电极组件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1，先将所述催化剂ptru/c和所述第一抗反极催化剂iro2分别在水中浸润后再与所述第一全氟磺酸树脂的醇溶液混合；

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2，所述烘干的温度为60～120℃，时间为1～5h。

8.根据权利要求5至7中任一项所述制备方法，其特征在于，所述步骤s2还包括：在所述阳极催化剂层的表面设置抗反极层，所述抗反极层的制备方法包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2a，先将所述第二抗反极催化剂iro2分散在水中，得到第二抗反极催化剂iro2分散液，再将所述第二抗反极催化剂iro2分散液与所述第二全氟磺酸树脂的醇溶液混合；

10.一种燃料电池膜电极，其特征在于，所述燃料电池膜电极包括权利要求1至4中任一项所述的膜电极组件或权利要求5至9中任一项所述的制备方法得到的膜电极组件。

技术总结
本发明提供了一种膜电极及其制备方法和燃料电池膜电极。该膜电极组件包括基膜和附着于基膜上的阳极催化剂层，阳极催化剂层的材料包括第一全氟磺酸树脂、催化剂PtRu/C和第一抗反极催化剂IrO<subgt;2</subgt;。本申请采用催化剂PtRu/C和第一抗反极催化剂IrO2与第一全氟磺酸树脂配合作为阳极催化剂层的材料，利用Ru改变了CO在催化剂表面的吸附状态，降低了吸附能，从而增强了膜电极抗CO中毒性能，并且通过第一抗反极催化剂IrO2与催化剂PtRu/C配合，在不影响膜电极性能的同时大幅提升了膜电极的抗反极时间，降低了对反应气氢气纯度的要求，适用于以重整气为原料的燃料电池的应用。

技术研发人员：王佳,江胜娟,刘思远,孙讯,张爱京,周明正
受保护的技术使用者：国家电投集团氢能科技发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14