[发明专利]一种质子交换膜燃料电池抗反极催化层及其制备方法和应用

说明书

本发明特别涉及一种质子交换膜燃料电池抗反极催化层及其制备方法和应用，属于燃料电池技术领域，催化层的成分包括铂碳催化剂、分散剂、离子聚合物溶液、水电解催化剂和添加剂，其中，所述添加剂用以包裹所述铂碳催化剂的碳载体进而抑制反极过程催化层发生碳腐蚀反应；在添加水电解催化剂延长水电解平台的基础上，通过加入添加剂来包裹碳载体抑制碳腐蚀反应，将进一步有效的提升膜电极的抗反极性能，解决了目前反极后电池性能存在明显的衰退的问题。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池抗反极催化层及其制备方法和应用。

背景技术

目前，世界上汽车的保有量持续增长，而传统的燃油汽车对燃油的依赖十分巨大以及对环境污染日益增加，大约17％的二氧化碳排放来自汽车和卡车。而由于质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，不会生成污染物如SO_X、NO_X、CO、CO₂等，因此为解决汽车产生的环境问题以及能源问题提供了一个新的方案。

膜电极组件是质子交换膜燃料电池最核心的部分，它是燃料电池产生电流的核心组件，其被誉为燃料电池的“心脏”，是发生电化学反应的核心场所，膜电极的好坏决定了电池的性能。膜电极组件通常由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层组成。

燃料电池在运行过程中不可避免的发生反极，反极会使阳极电势升高至1.6V甚至更高，在如此高的电势下，催化层中会发生碳腐蚀反应，导致催化层中的铂颗粒脱落，最终致使电池性能急剧衰退。

目前，大家通常会在催化层中添加水电解催化剂来提升膜电极的抗反极能力，虽然在催化层中添加水电解催化剂能极大地延长水电解平台，然而在水电解平台下，催化层不仅发生水电解反应，而且不可避免的发生碳腐蚀反应。因此，反极后，电池性能依然存在明显的衰退。

发明内容

本申请的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池抗反极催化层及其制备方法和应用，以解决目前反极后电池性能存在明显的衰退的问题。

本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池抗反极催化层，所述催化层的成分包括铂碳催化剂、分散剂、离子聚合物溶液、水电解催化剂和添加剂，其中，所述添加剂用以包裹所述铂碳催化剂的碳载体进而抑制反极过程催化层发生碳腐蚀反应。

可选的，所述添加剂的质量为所述铂碳催化剂的0.5％-2％。

可选的，所述添加剂包括含氟丙烯酸酯聚合物。

可选的，所述水电解催化剂包括含有铱单质的纳米材料催化剂、含有钌单质的纳米材料催化剂、含有铱的氧化物的纳米材料催化剂、含有钌的氧化物的纳米材料催化剂、含有铱的氢氧化物的纳米材料催化剂和含有钌的氢氧化物的纳米材料催化剂中的至少一种。

可选的，所述水电解催化剂和所述铂碳催化剂的质量比为1:10-1:1。

可选的，所述离子聚合物和所述铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.5-1。

可选的，所述铂碳催化剂的碳载体包括乙炔黑、Vulcan XC-72、Black pearls、碳纳米管和石墨烯粉末中的至少一种。

可选的，所述分散剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇和六氟异丙醇中的一种。

可选的，所述离子聚合物溶液为质量浓度为4％-6％的Nafion溶液。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的质子交换膜燃料电池抗反极催化层的制备方法，所述方法包括：

把润湿的铂碳催化剂、离子聚合物溶液和添加剂混合分散于分散剂，得到第一浆料；

把水电解催化剂分散于分散剂，得到第二浆料；