[發明專利]一種降低催化層金屬離子污染的膜電極

在審

• 申請號: 202111082451.0
• 申請日: 2021-09-15
• 公開（公告）號: CN113937328A
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 劉佳;韓愛娣;任歡;朱鳳鵑;姜貴山;陳偉;朱孟倩
• 申請（專利權）人: 上海捷氫科技有限公司;上海唐鋒能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/1032
• 代理公司: 北京華仁聯合知識產權代理有限公司 11588
• 代理人: 孫遠

本發明屬于燃料電池領域，涉及一種膜電極，具體涉及一種降低催化層金屬離子污染的膜電極，由含金屬例子吸附層的陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、含金屬離子吸附層的陰極擴散層組成，所述陽極擴散層和陰極擴散層中的金屬離子吸附層位于氣體擴散層的基底層與微孔層之間，用于及時吸附膜電極運行過程中水汽中由于金屬部件腐蝕形成的銅、鐵等金屬離子，防止金屬離子轉移到催化層和質子膜中，導致質子阻抗的增加。本發明解決了金屬離子對催化層和質子交換膜的影響，同時利用金屬離子作為缺陷型吸附劑的源頭形成二次吸附，降低金屬離子對催化層和質子膜的污染，從而提升膜電極的耐久性。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，涉及一種膜電極，具體涉及一種降低催化層金屬離子污染的膜電極。

背景技術

燃料電池是一種通過電化學反應將化學能直接轉化為電能的發電裝置，具有能量轉化效率高，環境友好等特點，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術。膜電極是電化學反應發生的場所，在此燃料中的化學能直接轉化為電能。膜電極是質子交換膜燃料電池的核心部件，膜電極的性能直接決定了電池的使用壽命。膜電極通常由陰極氣體擴散層、陰極催化層、質子交換膜、陽極催化層、陽極氣體擴散層多層結構堆疊而成。

在實際使用過程中，金屬雙極板等位置的銅鐵元素隨著使用時間的延長，產生一定的腐蝕，并且經過水、氣進入至擴散層、催化層和質子交換層，造成催化層和質子交換層的污染，從而導致阻抗上升，性能降低。

發明內容

針對現有技術中的問題，本發明提供一種降低催化層金屬離子污染的膜電極，解決了金屬離子對催化層和質子交換膜的影響，利用硫化鋅裸露結構吸附銅離子與鐵離子，形成類置換體系，同時基于硫化鋅內的鋅離子在內層二氧化鈦活性牽引下與氧離子結合，形成缺陷型氧化鋅，從而達到吸附金屬離子的效果。

為實現以上技術目的，本發明的技術方案是：

一種降低催化層金屬離子污染的膜電極，由含金屬例子吸附層的陽極擴散層、質子交換膜、陰極催化層、含金屬離子吸附層的陰極擴散層組成，所述陽極擴散層和陰極擴散層中的金屬離子吸附層位于氣體擴散層的基底層與微孔層之間。

所述金屬離子吸附層內含有硫化鋅包裹二氧化鈦顆粒，進一步的，所述顆粒表面的硫化鋅呈介孔型，且二氧化鈦與硫化鋅形成交叉式滲透結構。

進一步的，所述金屬離子吸附層由異丙醇、硫化鋅包裹二氧化鈦顆粒、乙基纖維素、PTFE乳液混合制備而成。

所述陽極擴散層和陰極擴散層均采用PTFE網絡結構。

進一步的，所述含金屬離子吸附層的陽極擴散層和含金屬離子吸附層的陰極擴散層的制備方法，包括如下步驟：a1，將碳材料和PTFE乳液分散至異丙醇水溶液中超聲振蕩1-3h，得到擴散層漿料；PTFE乳液中PTFE質量濃度為15-20％，所述碳材料的加入量是PTFE質量5-10％，且碳材料在異丙醇水溶液的濃度為2-6g/L，異丙醇水溶液中的異丙醇與水的體積比為2:1，超聲振蕩的超聲頻率為40-70kHz，溫度為5-10℃；a2，將乙基纖維素加入至異丙醇中攪均勻，然后依次加入硫化鋅包裹二氧化鈦顆粒和PTFE乳液及攪拌形成吸附層漿料；所述乙基纖維素在異丙醇中的濃度為5-10g/L，硫化鋅包裹二氧化鈦顆粒的加入量是乙基纖維素質量的20-50％，所述PTFE乳液中PTFE質量濃度為15-20％，且所述乙基纖維素的質量是PTFE乳液的10-15％；a3，將吸收層漿料涂覆在碳紙上恒溫烘干，得到第一鍍膜層，所述吸收層漿料在碳紙上涂覆量是0.2-0.5mg/cm²，恒溫烘干的溫度為90-100℃；a4，將擴散層漿料噴霧低溫噴霧在第一鍍膜層表面，恒溫靜置30-60min，壓制烘干后升溫處理得到含金屬離子吸收層的擴散層，所述擴散層漿料的噴霧量為3-8mg/cm²，低溫靜置的溫度5-10℃，噴霧量為0.3-0.9mg/min，所述恒溫靜置的溫度為10-20℃，壓制烘干的溫度為100-120℃，壓制壓力為0.2-0.3MPa，所述升溫處理的溫度為330-380℃。