一种抗反极燃料电池用膜电极及其制备方法与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种抗反极燃料电池用膜电极及其制备方法。

背景技术：

1、燃料电池(fuel cell)是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池，燃料电池按电化学的方式直接把化学能转换为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转换效率高(40％-60％)，环境友好，几乎不排放氮硫氧化物。

2、燃料电池以其优异的性能成为世界各个国家研究的热点，在发电，移动电源，车载电源上发挥了巨大的作用。燃料电池汽车的研究日益深入，但其商业化仍然存在技术瓶颈问题，燃料电池工作时生成大量的水容易进入电极孔，覆盖在催化层表面难以排走导致局部水淹，产生缺氢反极现象。

3、燃料电池在实际运行中工况复杂，好的系统也存在膜电极的缺氢反极现象，通过增加控制策略或者采用抗反极功能的膜电极来应对反极现象以避免反极产生不可逆的破坏。

4、比如，公开号为cn115939415a的发明申请公开了一种膜电极的制备方法、具有抗反极能力的膜电极及燃料电池，属于燃料电池技术领域。一种膜电极的制备方法，所述方法包括：将阳极催化剂、第一分散剂和第一离子聚合物溶液混合后，进行分散处理，得到阳极催化剂浆料；将抗反极催化剂、第二分散剂和第二离子聚合物溶液混合后，进行分散处理，得到抗反极浆料；将阳极催化剂浆料和抗反极浆料同时涂设在质子交换膜的一侧上形成阳极催化剂层；将阴极浆料涂设在质子交换膜的另一侧上形成阴极催化剂层，得到ccm；在ccm的两侧上设置气体扩散层，得到膜电极。所述抗反极催化剂包括含有铱或钌的单质、含有铱或钌的单质氧化物或含有铱或钌的单质氢氧化物中的至少一种。

5、公开号为cn115986143a的发明申请公开了一种抗反极催化剂及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：(1)将铱前驱体、纺丝溶剂和纺丝助剂混合，形成纺丝原液；(2)将所述纺丝原液进行静电纺丝，得到抗反极催化剂。本发明所述制备方法得到的抗反极催化剂具有优异的贵金属铱的利用率、催化活性和导电性。

6、但是无论是增加控制策略还是膜电极抗反极功能都需要增加材料增加成本，尤其是膜电极用的抗反极材料贵金属铱资源有限成本高昂。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的膜电极用的抗反极材料贵金属铱用量较高的问题，提供了一种抗反极燃料电池用膜电极及其制备方法，较低的铱用量下就能获得较好的抗反极作用。

2、一种抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)对碳纳米管进行预处理，

4、(2)对氧化铱进行纳米展开沉积：将氧化铱与去离子水、乳化剂混合分散均匀，然后进行均质打散，使氧化铱分散成纳米级颗粒，

5、(3)将步骤(1)经预处理的碳纳米管加入到步骤(2)所得产物中，继续进行分散均质，使颗粒分散成微米级颗粒，然后烘干并研磨获得氧化铱附着在碳纳米管上的纳米纤维氧化铱，

6、(4)将步骤(3)所得纳米纤维氧化铱作为添加剂加入催化层中，涂覆在质子交换膜两侧，获得所述抗反极燃料电池用膜电极。

7、优选的，步骤(1)中，预处理时，先用醇类溶解剂处理，再进行酸洗刻蚀。醇类溶解剂分散碳纳米管并且溶解部分杂质，酸洗时酸液溶解部分杂质并对碳纳米管刻蚀增加表面粗糙度方便氧化铱附着。

8、优选的，步骤(1)中，醇类溶解剂为以下至少一种：异丙醇、正丙醇、正丁醇；步骤(1)中，酸洗刻蚀时使用硫酸与硝酸的混合酸液，其中，硫酸与硝酸的摩尔比为1∶1～5，混合酸液的总浓度为5mol/l；酸洗刻蚀的温度为90～95℃，时间为2～4h。

9、优选的，步骤(2)中，氧化铱、去离子水和乳化剂的质量比为10∶200∶1。

10、优选的，步骤(2)中，乳化剂为以下至少一种：丙二醇、op-10、tx-10、np-10、aeo-9。

11、优选的，步骤(2)中，均质打散采用超高压均质机，湍流压力10-20mpa，时间15-40min，浆液体积循环流量40-120ml/min；

12、步骤(3)中，分散均质采用超高压均质机，湍流压力3-10mpa，时间10-30min，浆液体积循环流量10-50ml/min。

13、优选的，步骤(3)中，步骤(1)经预处理的碳纳米管与步骤(2)所得产物中氧化铱的质量比为1∶1。

14、优选的，步骤(4)中，纳米纤维氧化铱作为添加剂加入催化层时，铱在催化层中的载量为0.01mg/cm2。

15、优选的，步骤(4)中，催化层分为阳极催化层和阴极催化层，催化层的配方包括所述纳米纤维氧化铱、pt/c催化剂、去离子水、nafion溶液和正丙醇，其中，阳极催化层中pt载量为0.1mg/cm2，阴极催化层中pt载量为0.3mg/cm2。

16、本发明又提供了所述制备方法制备的抗反极燃料电池用膜电极。

17、一种抗反极燃料电池用膜电极，它包括质子交换膜、质子膜两侧的阴阳极催化层、催化层外的气体扩散层以及连接质子膜两侧的阴阳极边框。阳极催化层当中包含抗反极材料，抗反极材料为纤维状氧化铱，其通过成品氧化铱高压均质混浆附着于纳米纤维，使其颗粒分散形成更多的有效点位，从而减少抗反极膜电极单位面积中的贵金属铱的使用量。

18、本发明抗反极燃料电池用膜电极的制备方法通过将成品氧化铱高压均质混浆附着于碳纳米管上，使氧化铱颗粒分散形成更多的有效点位，从而减少抗反极膜电极单位面积中的贵金属铱的使用量，同时又能确保抗反极效果。

技术特征：

1.一种抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，预处理时，先用醇类溶解剂处理，再进行酸洗刻蚀。

3.根据权利要求2所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，醇类溶解剂为以下至少一种：异丙醇、正丙醇、正丁醇；

4.根据权利要求1所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，氧化铱、去离子水和乳化剂的质量比为10∶200∶1。

5.根据权利要求1所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，乳化剂为以下至少一种：丙二醇、op-10、tx-10、np-10、aeo-9。

6.根据权利要求1所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，均质打散采用超高压均质机，湍流压力10-20mpa，时间15-40min，浆液体积循环流量40-120ml/min；

7.根据权利要求1所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，步骤(1)经预处理的碳纳米管与步骤(2)所得产物中氧化铱的质量比为1∶1。

8.根据权利要求1所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，纳米纤维氧化铱作为添加剂加入催化层时，铱在催化层中的载量为0.01mg/cm2。

9.根据权利要求1所述抗反极燃料电池用膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，催化层分为阳极催化层和阴极催化层，催化层的配方包括所述纳米纤维氧化铱、pt/c催化剂、去离子水、nafion溶液和正丙醇，其中，阳极催化层中pt载量为0.1mg/cm2，阴极催化层中pt载量为0.3mg/cm2。

10.权利要求1～9任一所述制备方法制备的抗反极燃料电池用膜电极。

技术总结
本发明公开了一种抗反极燃料电池用膜电极及其制备方法。本发明抗反极燃料电池用膜电极的制备方法通过将成品氧化铱高压均质混浆附着于碳纳米管上，使氧化铱颗粒分散形成更多的有效点位，从而减少抗反极膜电极单位面积中的贵金属铱的使用量，同时又能确保抗反极效果。

技术研发人员：沈新龙,徐淳川,韩一帆,方蕾,高璐璐,毕可晓
受保护的技术使用者：浙江天能氢能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15