[发明专利]基于贫氢重整气进料高温质子膜燃料电池膜电极及制备与应用

说明书

本发明属于电化学能源领域，具体涉及一种基于贫氢重整气进料高温质子膜燃料电池膜电极及制备和应用，该膜电极包括依次层叠的阳极、磷酸浸渍的PBI膜和阴极，其中阳极为气体扩散层面向膜一侧表面涂覆有氢气氧化电催化剂和CO转化催化剂混合层的气体扩散电极，阴极为气体扩散层面向膜一侧表面涂覆有阴极催化剂层的气体扩散电极。可实现贫氢重整气的直接进料，燃料电池放电性能影响不大。

技术领域

本发明属于电化学能源领域，具体涉及一种基于贫氢重整气进料高温质子膜燃料电池膜电极及制备方法

背景技术：

燃料电池是一种将燃料和氧化剂分子中的化学能通过多孔电极内的电催化反应直接转换为电能的反应装置，不受卡诺循环限制，是一种高效的发电技术。传统的质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢气为燃料，受限于所使用的固态质子交换膜(如Nafion膜)的工作温度区间，PEMFC工作温度一般不高于80℃。PEMFC主要采用Pt金属纳米颗粒为阳极氢气氧化反应和阴极氧还原反应的催化剂。PEMFC阳极氢气主要通过甲醇或乙醇等液体燃料催化重整获得，然而由于重整气中CO浓度高(1-3％)，易造成阳极Pt催化剂的中毒，电池放电性能差。通过提高操作温度可减缓或消除Pt催化剂的CO毒化效应，如在高温质子膜燃料电池中，通过高温PBI膜的引入，可将电池温度提高至150-200℃，进而可直接采用重整气进料而不需要额外的氢气提纯净化装置。如CN 206340609U公开了一种基于甲醇外重整燃料电池系统，主要包括蒸发器、重整室和高温燃料电池电堆，其中蒸发器与重整室相连，而重整室的气体出料口与高温燃料电池电堆的入口相连，甲醇经重整后的氢气、CO、CO₂和水蒸气进入电堆发生反应，放出电能。CN 105720288B公开一种甲醇内重整燃料电池电堆，其中的甲醇重整室位于燃料电池电堆中相邻的阳极极板和阴极极板之间，该系统通过控制燃料电池放热和重整反应吸热的热量匹配，实现了热量的高效利用，提高高温重整燃料电池的系统效率。

综上，基于重整气进料的高温膜燃料电池具有诸多优点，但该技术目前仍处于研发的初级阶段，各项技术仍不成熟。由于燃料及重整方法的不同，造成重整气的品质存在明显差异，随着重整气中的氢气含量的降低和CO含量增加，燃料电池的放电性能明显变差，有的甚至无法稳定放电。到目前为止，针对重整气进料的高温膜电极大多适用于甲醇重整的富氢气(氢气含量75％,CO含量1％)，缺乏针对贫氢高CO含量重整气的膜电极的组分及结构设计。

针对上述问题，本发明目的在于提供一种基于贫氢重整气进料高温质子膜燃料电池膜电极，其特征在于：

该膜电极包括依次层叠的阳极、磷酸浸渍的PBI膜和阴极，其中阳极为气体扩散层面向膜一侧表面涂覆有氢气氧化电催化剂和CO转化催化剂混合层的气体扩散电极，阴极为气体扩散层面向膜一侧表面涂覆有阴极催化剂层的气体扩散电极。

一种基于贫氢重整气进料高温质子膜燃料电池膜电极，所述阳极氢气氧化电催化剂为质量负载量20-60％的Pt/C或Pt黑电催化剂中的一种或两种以上的组合；

所述阳极氢气氧化电催化剂的Pt载量为0.5-2mg/cm²；

所述CO转化催化剂为活性金属质量负载量20-60％的RuNi/C、RuNi黑、活性金属质量负载量20-60％的AuNi/C、AuNi黑、活性金属质量负载量20-60％的IrNi/C、IrNi黑催化剂中一种或两种以上的组合；活性金属中贵金属与Ni的摩尔比为1：1到3：1；

所述CO转化催化剂的活性金属载量为0.1-0.5mg/cm²。

一种基于贫氢重整气进料高温质子膜燃料电池膜电极，所述阴极催化剂为质量负载量20-60％的Pt/C、Pt黑、质量负载量20-60％的PtCo/C、质量负载量20-60％的PtNi/C电催化剂中的一种或两种以上的组合；活性金属中Pt与Co或Ni的摩尔比为1：1到3：1；

阴极Pt载量为0.5-3mg/cm²。