[發明專利]一種燃料電池膜電極及其制備方法、燃料電池

有效

• 申請號: 202010191469.3
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN113497235B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 李目武;許永亮;周飛鯤;洪紹景;田冬偉;袁述
• 申請（專利權）人: 廣州汽車集團股份有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;H01M4/92;H01M8/1004
• 代理公司: 深圳眾鼎專利商標代理事務所(普通合伙) 44325
• 代理人: 譚果林

為克服現有燃料電池中存在的反極現象，導致膜電極性能衰減的問題，本發明提供了一種燃料電池膜電極，包括質子交換膜和催化層，所述催化層包括陽極催化層和陰極催化層，所述陽極催化層和所述陰極催化層分別設置于所述質子交換膜的兩側，所述催化層的組分包括催化活性組分和抗反極材料，所述抗反極材料包括IrOsubgt;2/subgt;、RuOsubgt;2/subgt;、NiO和CoO中的一種或多種。同時，本發明還公開了上述燃料電池膜電極的制備方法及燃料電池。本發明提供的燃料電池膜電極有效抑制反極過程中反向電壓對催化層中碳載體的腐蝕現象，從而延緩了燃料電池性能的衰減，延長了燃料電池的使用壽命。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池膜電極及其制備方法、燃料電池。

背景技術

燃料電池汽車具有綠色環保、效率高、燃料加注時間短、續航里程長等優勢，是新能源汽車的重要發展方向。電堆是燃料電池汽車的核心部件，而膜電極又是電堆中最重要的部件之一，影響著電堆的壽命和性能。

在車用動態工況下，會出現頻繁的啟停、快速變載的情況，尤其在出現負載大幅度變化時，燃料可能會供應出現不足或不及時的情況，造成電堆處于“饑餓”狀態，嚴重的缺氣會導致電堆內某單片或者多片電池出現電壓極低甚至變成負電壓，使電堆出現反極現象。在反極過程中，催化層存在電解水和碳腐蝕兩種反應，碳腐蝕會破壞催化層的結構，導致碳載體上面的活性金屬顆粒會脫落并團聚，從而降低了催化劑的活性面積。同時，碳載體的腐蝕也會改變催化層結構的親疏水性和孔隙率，有可能使得催化層與質子交換膜脫離，長時間的反極也會導致與催化層接觸的氣體擴散層上的微孔層被腐蝕從而破壞整個膜電極的結構。因此，反極會導致膜電極結構發生不可逆的破壞，電堆內阻增大，加速電堆性能的衰減，嚴重影響燃料電池汽車電堆的性能和壽命，因此，提高膜電極的抗反極性能是當前車用電堆急需解決的問題之一。

發明內容

針對現有燃料電池中存在的反極現象，導致膜電極性能衰減的問題，提供一種燃料電池膜電極及其制備方法、燃料電池。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案如下：

一方面，本發明提供了一種燃料電池膜電極，包括質子交換膜和催化層，所述催化層包括陽極催化層和陰極催化層，所述陽極催化層和所述陰極催化層分別設置于所述質子交換膜的兩側，所述催化層的組分包括催化活性組分和抗反極材料，所述抗反極材料包括IrO₂、RuO₂、NiO和CoO中的一種或多種。

可選的，所述催化層包括以下重量組分：

催化活性組分1～40份和抗反極材料1～20份。

可選的，所述陽極催化層中抗反極材料的質量分數為1～20％，所述陰極催化層中抗反極材料的質量分數為1～10％。

可選的，所述陽極催化層的厚度為5-10μm，所述陰極催化層的厚度為8～20μm。

可選的，所述催化活性組分和所述抗反極材料以顆粒狀混合于所述催化層中，所述催化活性組分的顆粒粒徑為3～8nm，所述抗反極材料的顆粒粒徑為10～100nm。

可選的，所述催化活性組分包括碳載體和活性金屬，所述活性金屬包括Pt、Au、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Co、Fe、Ni、Mn中的一種或多種，所述催化活性組分中活性金屬的質量分數為10～70％。

可選的，所述催化層還包括以下重量組分：

質子導體聚合物5～30份。

可選的，施加反向電壓-1.0V，反極5min鐘后，相同測試條件下，所述燃料電池膜電極的電流密度降低率≤7.8％。