本申請涉及燃料電池，尤其涉及一種具備抗反極功能的膜電極及其制備方法和應用。

背景技術(shù)：

1、燃料電池作為一種清潔且可持續(xù)的發(fā)電裝置，通過將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉(zhuǎn)化成電能，具備高效率、無污染和長壽命等特點。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)因其能量轉(zhuǎn)換率高(40％～60％)，工作溫度低、比功率高、啟動速度快等優(yōu)勢被廣泛應用。

2、pemfc的核心部件是膜電極(mea)，由位于中央的質(zhì)子交換膜(pem)和涂覆在其上的催化劑層(cl)以及再外側(cè)的氣體擴散層(gdl)共同組成。其中，催化層的主要成分是pt/c催化劑與全氟磺酸離子聚合物(離聚物)，并分為陰陽兩極，其中陰極用于催化氧還原反應(orr)，陽極用于催化氫氧化反應(hor)。

3、車載燃料電池工作過程中因啟停、快速變載等工況還可能導致陽極催化層氫氣不足進而發(fā)生反極，反極引起的陽極催化層碳載體腐蝕是不可逆的，這會顯著降低燃料電池的可靠性和安全性。目前在膜電極層面進行抗反極的主要措施是催化層中添加抗反極催化劑氧化銥(iro2)，通過iro2促進電解水反應來替代碳腐蝕反應。但ir的價格比pt還要昂貴，催化層中iro2的添加將更大幅提升膜電極的成本。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)峁┝艘环N具備抗反極功能的膜電極及其制備方法和應用，其能夠在較低抗反極催化劑用量的前提下取得較好的抗反極效果。

2、第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N具備抗反極功能的膜電極，所述膜電極包括陽極催化層，所述陽極催化層包括有序化排列的第一碳納米管層和第一催化劑，所述第一碳納米管層中碳納米管的延伸方向垂直于所述陽極催化層的延伸面；所述第一催化劑負載于所述第一碳納米管層，所述第一催化劑包括抗反極催化劑。

3、作為一種可選的實施方式，所述抗反極催化劑包括ir和/或ir基材料；和/或

4、所述抗反極催化劑的載量為5μg/cm2～15μg/cm2。

5、作為一種可選的實施方式，所述陽極催化層還包括第二催化劑，所述第二催化劑負載于所述第一碳納米管層，所述第二催化劑包括pt和/或pt基材料；和/或

6、所述第二催化劑的載量為10μg/cm2～30μg/cm2。

7、作為一種可選的實施方式，所述膜電極還包括質(zhì)子交換膜和陰極催化層，所述質(zhì)子交換膜設(shè)于所述陽極催化層和所述陰極催化層之間，所述陰極催化層包括有序化排列的第二碳納米管層和第三催化劑，所述第二碳納米管層中碳納米管的延伸方向垂直于所述陰極催化層的延伸面，所述第三催化劑負載于所述第二碳納米管層，所述第三催化劑包括pt和/或pt基材料；和/或

8、所述第三催化劑的載量為40μg/cm2～60μg/cm2。

9、第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N具備抗反極功能的膜電極的制備方法，所述方法包括：

10、得到有序化排列的第一碳納米管層；

11、將第一催化劑負載于所述第一碳納米管層，后噴涂離子聚合物，得到陽極催化層；所述第一碳納米管層中碳納米管的延伸方向垂直于所述陽極催化層的延伸面，所述第一催化劑包括抗反極催化劑；

12、將所述陽極催化層、質(zhì)子交換膜和陰極催化層進行組裝，得到膜電極。

13、作為一種可選的實施方式，所述得到有序化排列的第一碳納米管層包括：

14、得到基板，所述基板包括鋁箔和附著于所述鋁箔上的鐵膜；

15、對所述基板上的所述鐵膜進行蝕刻，以形成相互孤立的鐵顆粒，并去除鐵膜表面的氧化物，得到中間板；

16、采用碳源在所述中間板上沉積碳，以形成有序化排列的碳納米管，得到第一碳納米管層。

17、作為一種可選的實施方式，所述鋁膜的厚度為5μm～30μm；和/或

18、所述鐵膜的厚度為0.5nm～2nm；和/或

19、所述碳源包括c2h2和h2的混合氣，所述c2h2和h2的混合比例為1：(5～20)。

20、作為一種可選的實施方式，所述將第一催化劑負載于所述第一碳納米管層包括采用原子沉積的方法將含ir的前驅(qū)體沉積到所述第一碳納米管層；和/或

21、所述含ir的前驅(qū)體包括氯銥酸、乙酰丙酮銥、三氯化銥和四氯化銥中的至少一種；和/或

22、所述含ir的前驅(qū)體的沉積速度為和/或

23、所述方法還包括將第二催化劑負載于所述第一碳納米管，所述第二催化劑包括pt和/或pt基材料；和/或

24、所述將第二催化劑負載于所述第一碳納米管包括采用原子沉積的方法將含pt的前驅(qū)體沉積到所述第一碳納米管層；和/或

25、所述含pt的前驅(qū)體包括氯鉑酸、氯亞鉑酸、乙酰丙酮鉑、雙乙二胺醋酸鉑和三甲基甲基環(huán)戊二烯鉑中的至少一種；和/或

26、所述含pt的前驅(qū)體的沉積速度為

27、作為一種可選的實施方式，所述陰極催化層的制備方法包括：

28、得到有序化排列的第二碳納米管層；

29、將第三催化劑負載于所述第二碳納米管層，后噴涂離子聚合物，得到陰極催化層；所述第二碳納米管層中碳納米管的延伸方向垂直于所述陰極催化層的延伸面，所述第三催化劑包括pt和/或pt基材料。

30、第三方面，本申請?zhí)峁┝艘环N燃料電池，所述燃料電池包括第一方面提供的膜電極或第二方面提供的方法制得的膜電極。

31、本申請實施例提供的上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

32、本申請實施例提供的該膜電極，通過將抗反極催化劑以有序化形式引入到陽極催化層中，可以降低其使用量，起到較好的抗反極效果，有效提高了膜電極的可靠性和安全性。

技術(shù)特征：

1.一種具備抗反極功能的膜電極，其特征在于，所述膜電極包括陽極催化層，所述陽極催化層包括有序化排列的第一碳納米管層和第一催化劑，所述第一碳納米管層中碳納米管的延伸方向垂直于所述陽極催化層的延伸面；所述第一催化劑負載于所述第一碳納米管層，所述第一催化劑包括抗反極催化劑。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備抗反極功能的膜電極，其特征在于，所述抗反極催化劑包括ir和/或ir基材料；和/或

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備抗反極功能的膜電極，其特征在于，所述陽極催化層還包括第二催化劑，所述第二催化劑負載于所述第一碳納米管層，所述第二催化劑包括pt和/或pt基材料；和/或

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備抗反極功能的膜電極，其特征在于，所述膜電極還包括質(zhì)子交換膜和陰極催化層，所述質(zhì)子交換膜設(shè)于所述陽極催化層和所述陰極催化層之間，所述陰極催化層包括有序化排列的第二碳納米管層和第三催化劑，所述第二碳納米管層中碳納米管的延伸方向垂直于所述陰極催化層的延伸面，所述第三催化劑負載于所述第二碳納米管層，所述第三催化劑包括pt和/或pt基材料；和/或

5.一種具備抗反極功能的膜電極的制備方法，其特征在于，所述方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具備抗反極功能的膜電極的制備方法，其特征在于，所述得到有序化排列的第一碳納米管層包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具備抗反極功能的膜電極的制備方法，其特征在于，所述鋁膜的厚度為5μm～30μm；和/或

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具備抗反極功能的膜電極的制備方法，其特征在于，所述將第一催化劑負載于所述第一碳納米管層包括采用原子沉積的方法將含ir的前驅(qū)體沉積到所述第一碳納米管層；和/或

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具備抗反極功能的膜電極的制備方法，其特征在于，所述陰極催化層的制備方法包括：

10.一種燃料電池，其特征在于，所述燃料電池包括權(quán)利要求1至4中任一項所述的膜電極或權(quán)利要求5至9中任一項所述的方法制得的膜電極。

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及一種具備抗反極功能的膜電極及其制備方法和應用，屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域；膜電極包括陽極催化層，所述陽極催化層包括有序化排列的第一碳納米管層和第一催化劑，所述第一碳納米管層中碳納米管的延伸方向垂直于所述陽極催化層的延伸面；所述第一催化劑負載于所述第一碳納米管層，所述第一催化劑包括抗反極催化劑；通過將抗反極催化劑以有序化形式引入到陽極催化層中，可以降低其使用量，起到較好的抗反極效果，有效提高了膜電極的可靠性和安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：陳實,唐雪君,李洪濤,賈志民
受保護的技術(shù)使用者：東風汽車集團股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/2