[发明专利]一种质子交换膜燃料电池膜电极抗反极添加剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池膜电极抗反极添加剂及其制备方法。所述添加剂包括使用硼氢化钠还原法制备的自支撑式铱钴合金催化剂，本发明提供的添加剂所制备的电池抗反极能力显著提高，能有效缓解反极导致的阳极催化层的碳腐蚀和铂颗粒的团聚，使燃料电池在复杂工况下的耐久性得到提高。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极的抗反极添加剂及其制备方法，能有效缓解反极导致的阳极催化层碳腐蚀和铂颗粒的团聚，提高电池的耐久性。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放、高效率和高功率密度而作为燃料电池电动汽车的一种有前途的候选产品受到了广泛关注。在过去十年中，PEMFC取得了显著的进步，但仍存在一些障碍，如耐久性较低、成本高和基础设施不足，这些必须在其广泛商业化之前加以解决。

当燃料电池汽车在复杂的工况下运行时，通常会出现燃料不足的情况，例如，快速的负载变化和零下启动。当阳极燃料不足时，氢气不再足以提供所需的质子和电子，因此水电解反应和碳腐蚀将分别发生，阳极产生高电位，导致电池电压反转，即为反极。碳腐蚀会消耗碳载体，破坏催化层结构，导致铂颗粒团聚，从而引起电池性能下降。严重时，阳极高电位产生的大量热量会导致质子交换膜形成针孔，燃料和氧化剂在电池内部混合，造成灾难性故障。

目前为止，研究人员已经开发出多种系统控制策略来防止电池电压反转，如监测电池电压、检测尾排气体中CO₂浓度以及监测反应气化学计量比等。这些系统策略都需要额外系统的支持，提高的电堆的成本和复杂性。而另一种基于材料的策略解决了这一问题，其主要是在阳极催化层中加入电解水催化剂如铱及其氧化物，钌及其氧化物或铱钌合金等。但是由于贵金属高昂的成本和有限的储量，同样限制了其作为单独的催化剂添加剂。

CN111029599A公开了一种燃料电池抗反极催化剂及其制备方法，所述催化剂为铱氧化物复合铌掺杂的二氧化钛纳米催化剂，采用该发明能够有效缓解燃料电池阳极侧在反极时的碳载体腐蚀和铂颗粒团聚长大，使燃料电池抗反极时间得到延长。但是该催化剂制备过程较为繁琐，需要高温氢气还原。并且氧化钛的导电性较差，在阳极催化层中添加该发明所述催化剂之后，高电密下会出现明显的传质极化。

发明内容

基于以上技术问题，本发明侧重于膜电极抗反极添加剂的结构，旨在利用钴作为第二金属掺杂制备铱钴合金，使用较低的贵金属用量提高膜电极的抗反极性能，提高铱的利用率。

本发明旨在提供一种质子交换膜燃料电池膜电极抗反极添加剂及其制备方法，能够显著提高膜电极的反极耐受性能，降低贵金属催化剂的用量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种燃料电池膜电极抗反极添加剂，所述添加剂铱钴合金催化剂，所述铱钴金属的质量比重为0.1～0.5。

基于以上技术方案，优选的，所述铱钴合金中铱和钴的质量比重为0.2～0.5，优选为0.3；所述铱钴合金的形貌为海胆状，所述海胆状结构中，钴作为主体存在，铱作为“触手”分布于主体的周边。

基于以上技术方案，优选的，所述添加剂的比表面积为80～120m²g^-1；粒径为80～150nm。

另一方面，本发明提供一种上述的抗反极添加剂的制备方法，所述方案为硼氢化钠还原法，所述硼氢化钠还原法包括如下步骤：

步骤一：取一定量的铱前驱体和钴前驱体分散于乙二醇溶液中，搅拌均匀后，加入一定量的硼氢化钠，然后于20～80℃下搅拌0.5～5h，将搅拌后得到的产物用去离子水离心洗涤，在60℃下真空干燥过夜，仔细研磨后得到预合成的铱钴催化剂；

步骤二：将预合成的铱钴催化剂放入管式炉中，进行退火处理，以提高预合成催化剂的结晶度，退火后得到所述的IrCo合金催化剂粉末。