复合膜层及其制备方法、膜电极、燃料电池与流程

本申请涉及燃料电池，尤其涉及燃料电池抗反极技术。

背景技术：

1、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sox、nox、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。

2、质子交换膜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复合膜层的抗反极能力，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。反极后，电池性能依然存在明显的衰退。因此，单纯添加水电解催化剂不足以对催化层的抗反极能力形成显著提升。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种复合膜层及其制备方法、燃料电池，以解决单纯添加水电解催化剂不足以显著提升催化层的抗反极能力的技术问题。

2、第一方面，本申请实施例提供一种复合膜层，所述复合膜层包括：

3、质子交换膜；

4、设置在所述质子交换膜一侧的第一催化层，所述第一催化层包括水电解催化剂、分散剂、铂碳催化剂和离子聚合物，所述第一催化层中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.3～0.6:1；

5、设置在所述第一催化层上的第二催化层，所述第二催化层包括铂碳催化剂、分散剂和离子聚合物，所述第二催化层中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.8～1.2:1。

6、在本申请的一些实施例中，所述分散剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇中的至少一种。

7、在本申请的一些实施例中，所述离子聚合物为nafion。

8、在本申请的一些实施例中，所述水电解催化剂为铱碳催化剂、金碳催化剂、镍碳催化剂、银碳催化剂中的至少一种。

9、第二方面，本申请实施例提供一种复合膜层的制备方法，所述复合膜层的制备方法包括如下步骤：

10、将铂碳催化剂、分散剂、水电解催化剂、离子聚合物溶液混合得到第一浆料；

11、提供质子交换膜，将所述第一浆料设置到所述质子交换膜的一侧，得到第一催化层；

12、将铂碳催化剂、分散剂、离子聚合物溶液混合得到第二浆料；

13、将所述第二浆料设置到第一催化层上，得到第二催化层，

14、其中，所述第一浆料中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.3～0.6；所述第二浆料中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.8～1.2。

15、在本申请的一些实施例中，以所述离子聚合物溶液的重量百分比计，所述离子聚合物溶液包括4％～6％的nafion、48％～50％的水、48％～50％的异丙醇。

16、在本申请的一些实施例中，所述分散剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇中的至少一种。

17、在本申请的一些实施例中，所述水电解催化剂为铱碳催化剂、金碳催化剂、镍碳催化剂、银碳催化剂中的至少一种。

18、第三方面，本申请实施例提供一种膜电极，所述膜电极包括第一方面任一实施例所述的复合薄膜，或者第二方面任一实施例所述的方法制备得到的复合薄膜。

19、第四方面，本申请实施例提供一种燃料电池，所述燃料电池包括第三方面任一实施例所述的膜电极。

20、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

21、本申请实施例提供的复合膜层，通过在质子交换膜上设置第一催化层和第二催化层，第一催化层中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.3～0.6:1，该比值较低，这能够避免水电解催化剂被离聚物包裹，增加水电解催化剂的活性位点；第二催化层中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.8～1.2:1，该比值较高，可以使更多的碳载体被离聚物包裹，抑制其在高电势下发生碳腐蚀反应，同时还使得第二催化层的孔径分布更小，有助于支撑和捕捉在水电解过程第一催化层水电解催化剂的脱落。

技术特征：

1.一种复合膜层，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的复合膜层，其特征在于，所述分散剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的复合膜层，其特征在于，所述离子聚合物为nafion。

4.根据权利要求1所述的复合膜层，其特征在于，所述水电解催化剂为铱碳催化剂、金碳催化剂、镍碳催化剂、银碳催化剂中的至少一种。

5.一种复合膜层的制备方法，其特征在于，所述复合膜层的制备方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的复合膜层的制备方法，其特征在于，以所述离子聚合物溶液的重量百分比计，所述离子聚合物溶液包括4％～6％的nafion、48％～50％的水、48％～50％的异丙醇。

7.根据权利要求5所述的复合膜层的制备方法，其特征在于，所述分散剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、六氟异丙醇中的至少一种。

8.根据权利要求5所述的复合膜层的制备方法，其特征在于，所述水电解催化剂为铱碳催化剂、金碳催化剂、镍碳催化剂、银碳催化剂中的至少一种。

9.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极包括权利要求1～4中任意一项所述的复合薄膜，或者权利要求5～8中任意一项所述的方法制备得到的复合薄膜。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求9所述的膜电极。

技术总结本申请涉及一种复合膜层，所述复合膜层包括：质子交换膜；设置在所述质子交换膜一侧的第一催化层，所述第一催化层包括水电解催化剂、分散剂、铂碳催化剂和离子聚合物，所述第一催化层中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.3～0.6:1；设置在所述第一催化层上的第二催化层，所述第二催化层包括铂碳催化剂、分散剂和离子聚合物，所述第二催化层中，离子聚合物与铂碳催化剂的碳载体的质量比为0.8～1.2:1。本申请第一催化层能够避免水电解催化剂被离聚物包裹，增加水电解催化剂的活性位点；第二催化层可以使更多的碳载体被离聚物包裹，抑制其在高电势下发生碳腐蚀反应，同时孔径分布更小，有助于支撑和捕捉在水电解过程第一催化层水电解催化剂的脱落。技术研发人员：周江峰,曹天鹏,唐雪君,李洪涛,陈实受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25