[發明專利]具有高抗氧化能力的用于燃料電池的抗氧化劑及包含其的電解質膜和膜-電極組件

在審

• 申請號: 202011545223.8
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN113451587A
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 蔡一錫;高載準;洪普基
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社;起亞自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 瞿藝

本發明公開了具有高抗氧化劑能力的用于燃料電池的抗氧化劑及包含其的電解質膜和膜?電極組件，具體公開了一種具有高分散度和/或分布度和優異的抗氧化能力的用于燃料電池的抗氧化劑和包括其的膜?電極組件。抗氧化劑包括金屬氧化物和吸附于該金屬氧化物上的含硫有機化合物，例如包括亞磺酸陰離子基團(R?SO₂^?)的有機化合物。

技術領域

本發明涉及具有高分散度和/或分布度和優異抗氧化能力的用于燃料電池的抗氧化劑，以及包括其的電解質膜和膜-電極組件。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC或聚合物電解質膜燃料電池)是一種使用氫燃料的發電設備，具有高能源效率，系統構造簡單和環境友好的優點。質子交換膜燃料電池作為用于環境友好車輛的能量轉換設備最近受到關注。

在燃料電池中產生電的反應發生于由基于全氟磺酸(PFSA)離聚物的電解質膜和負極和正極組成的膜-電極組件(MEA)中。供給到負極(燃料電池的氧化電極)的氫被分離成質子和電子后，質子通過膜移動至正極(其是還原電極)，且電子通過外部電路移動至正極。在正極，氧分子、質子和電子一起反應生成電和熱，而同時水(H₂O)作為反應副產物產生。

作為燃料電池的反應氣體，氫氣和氧氣橫穿電解質膜，從而促進過氧化氫(HOOH)的產生。過氧化氫產生高反應性含氧自由基如羥基自由基(·OH)和過氧羥基自由基(·OOH)。這些自由基攻擊電極和基于全氟化磺酸的電解質膜中的離聚物粘合劑，導致膜-電極組件化學降解，最終降低燃料電池的耐用性。

作為減少化學降解的技術，已經提出了添加各種類型的抗氧化劑的方法。抗氧化劑分類為具有自由基清除劑(或淬滅劑)功能的初級抗氧化劑和具有過氧化氫分解劑功能的二級抗氧化劑。這些可以單獨使用或組合使用。

初級抗氧化劑的典型實例可以包括基于鈰的抗氧化劑，如氧化鈰(或二氧化鈰)和硝酸鈰(III)六水合物，以及基于錳的抗氧化劑，而二級抗氧化劑的典型實例可以包括基于錳的抗氧化劑，如氧化錳等，和過渡金屬催化劑，如鉑(Pt)等。

用作初級抗氧化劑的基于氧化鈰的抗氧化劑以具有幾納米或幾十納米的微晶尺寸的納米顆粒或粉末的形式引入。由于通常制備基于氧化鈰的抗氧化劑并隨后以附聚物的形式存儲，必須在添加到電解質膜之前將其分散。因此，為了增加分散和/或分布的程度，可以使用表面活性劑穩定化抗氧化劑的表面，但可能會減小抗氧化劑的活性表面積，這會降低燃料電池的耐久性。因此，開發具有分布穩定性和通過大活性位點的抗氧化能力的抗氧化劑，仍是必要的。

發明內容

在優選的方面中，提供了具有分布穩定性和進一步提高的抗氧化能力的抗氧化劑，以及包括其的電解質膜和電解質膜-電極組件。

本發明的目的不限于上述目的，并且通過以下描述將能夠清楚地理解，并且能夠通過權利要求書中描述的手段及其組合而實現。

在一個方面中，提供了一種用于燃料電池的抗氧化劑，其包括金屬氧化物和包含亞磺酸陰離子基團(R-SO₂^-)并吸附于金屬氧化物上的有機化合物。

該金屬氧化物可以由以下化學式1表示。

[化學式1]

MO_2-δ

M可以包括選自由過渡金屬和稀土金屬組成的組的一種或多種，并且δ是使金屬氧化物呈電中性的氧空位值。

M可以合適地包括選自由鋯(Zr)、鈰(Ce)、釤(Sm)、釓(Gd)和鋱(Tb)組成的組的一種或多種。