[發明專利]抗啟停膜電極組件及其制備方法

在審

• 申請號: 202211034344.5
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115312819A
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 蔡超;艾勇誠;陳峰
• 申請（專利權）人: 三一電動車科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/86;H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 周淑娟

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及抗啟停膜電極組件及其制備方法。抗啟停膜電極組件包括：質子交換膜、陽極催化層和陰極催化層；陽極催化層和陰極催化層分別設置于質子交換膜的兩側；陽極催化層中含有抗氧化劑；抗氧化劑為多酚類物質、丁基羥基茴香醚、二丁基羥基甲苯、叔丁基對二苯酚、維生素C中的至少一種；所述抗氧化劑與陽極催化層中的催化劑的重量比為0.1～2：1。本發明的膜電極具有“抗啟停”的保護功能，能夠顯著降低啟停過程對燃料電池膜電極的損傷。而且，本發明采用材料學解決方案，可有效緩解燃料電池系統控制策略設計壓力。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及抗啟停膜電極組件及其制備方法。

背景技術

氫燃料電池是一種可以將氫氣中的化學能直接轉化為電能的裝置，具有能量轉化效率高、無污染等特點。膜電極是氫燃料電池的“心臟”，電化學反應就發生在膜電極中。膜電極通常由陽極催化層、陰極催化層、質子交換膜、陽極氣體擴散層、陰極氣體擴散層構成。陽極催化層發生氫氧化反應(HOR)，通常由Pt/C催化劑和導質子的樹脂構成。陰極催化層發生氧還原反應(ORR)，通常也由Pt/C催化劑和導質子的樹脂構成。質子交換膜通常由全氟磺酸樹脂組成，主要起傳導質子，隔絕電子和氣體的作用。陰陽極氣體擴散層通常由碳紙或碳布及單側一層微孔層構成，分別用于向陰陽極催化層中傳輸空氣和氫氣，以及排出多余的水。

燃料電池在啟停過程中，陽極催化層中容易混入一定量的空氣，從而形成氫空界面，如圖1所示。陽極催化層的空氣區域在Pt/C催化劑的催化作用下，可發生氧還原反應，從而抬高陰極催化層局部位置的電勢。上述陰極催化層局部(IV)電勢甚至可以達到2.0V，迫使該區域的水發生氧析出反應(OER)以及碳載體發生碳氧化反應(COR)。碳載體作為催化劑及載體以及催化層的骨架，其發生氧化，會導致大量的Pt流失，甚至造成催化層骨架坍塌，嚴重損害電池性能。

現有技術中，CN201180061661.X公開了用于PEM燃料電池的改進型膜電極組件，其有兩個電極層(EL1和/或EL2)，其中的至少一個包含一種第一電催化劑(EC1)，它包含氧化銥組分與至少一種其他無機氧化物組分的組合；和一種第二電催化劑(EC2/EC2')，它不含銥。優選地，使用氧化銥/二氧化鈦催化劑作為EC1。這些膜電極展現了很好的性能，尤其是在如燃料不足和啟動/停止循環等多種嚴苛的操作條件下。然而，該設計通過氧化銥加速水電解反應來抑制陰極碳材料的腐蝕，防止電池性能衰退，這并不能從根本上消除啟停過程中的衰退機理，其所起到的保護作用有限；而且雙層陰陽催化層的設計，結構復雜，工藝難度大，不易于量產。

發明內容

鑒于此，本發明提供了一種膜電極組件，包括：質子交換膜、陽極催化層和陰極催化層；

所述陽極催化層和陰極催化層分別設置于所述質子交換膜的兩側；

所述陽極催化層中含有抗氧化劑；

所述抗氧化劑為多酚類物質、丁基羥基茴香醚、二丁基羥基甲苯、叔丁基對二苯酚、維生素C中的至少一種；

所述抗氧化劑與陽極催化層中的催化劑的重量比為0.1～2：1。

作為本發明的一種優選的實施方案，所述陽極催化層中還包括：全氟磺酸樹脂；

優選所述全氟磺酸樹脂占所述陽極催化層的重量百分比為8％～40％。

作為本發明的一種優選的實施方案，所述陽極催化層中的催化劑為Pt/C、PtRu/C、PtIr/C、PtCo/C、PtCoMn/C、PtNi/C、Ir/C、Ru/C、IrRu/C氫氧化反應催化劑中的至少一種。

作為本發明的一種優選的實施方案，所述抗氧化劑和陽極催化層中的催化劑的重量比為0.1～0.5：1。

進一步，本發明還提供了上述膜電極組件的制備方法，包括：

(1)將陽極催化層的材料分散于溶劑中，制得陽極漿料；