[发明专利]一种自由基淬灭剂及其制备方法和其在膜电极的应用

说明书

本发明公开了一种自由基淬灭剂，包括载体和活性物质，载体为炭黑、碳纳米管或石墨烯，活性物质为CeO₂、MnO₂、WO₃、Fe₃O₄、RuO₂、贵金属磷酸化合物、金属磷酸化合物或金属氟化物，活性物质的含量为10～60wt％。本发明还公开了该自由基淬灭剂的制备方法。本发明还公开了该自由基淬灭剂在膜电极的应用，即在质子交换膜两侧喷涂自由基淬灭剂，用于阻断自由基攻击和腐蚀质子交换膜全氟磺酸上的基团。本发明解决了自由基淬灭剂的迁移问题以及自由基淬灭剂的活性偏低的问题，本发明构造了新型膜电极的结构，保护质子膜上全氟磺酸树脂基团，尽量少遭受自由基的攻击和腐蚀，最终改善膜电极的性能和克服寿命衰减的缺陷。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种自由基淬灭剂及其制备方法和其在膜电极的应用。

背景技术

常用的自由基淬灭剂包括CeO₂、MnO₂、WO₃、Fe₃O₄、RuO₂等，以颗粒状为主，一般会添加到催化剂层或质子交换膜中。通常自由基淬灭剂的应用存在三个主要问题：一是MEA工作时，由于内部水和气体的存在，颗粒状的自由基淬灭剂会发生迁移；二是因为氧化物态的自由基淬灭剂导电性较差，造成自由基淬灭剂的活性偏低；三是催化剂层中自由基淬灭剂添加量过高，会降低电化学反应活性，导致膜电极输出电压偏低。上述三个原因影响了自由基淬灭剂的广泛应用，催化剂层中产生氢氧自由基对质子膜造成腐蚀，使得目前膜电极的性能和寿命衰减严重。

现有的自由基淬灭剂还未规模化应用，多数自由基淬灭剂是以颗粒添加质子交换膜中，但是因为质子膜工作时由于水分的存在，颗粒状自由基淬灭剂会发生迁移，影响质子膜的性能和寿命。中国专利ZL200780031657.2公开了一种燃料电池用补强型电解质膜，是通过颗粒状自由基淬灭剂固定在质子交换膜的PTFE增强层中，该方法缓解了淬灭剂的迁移，但是会影响淬灭剂的性能发挥，因为氢氧自由基是在催化剂层中产生，自由基会腐蚀质子膜全氟磺酸上的端羧基、磺酸根、支链的醚键和主链的叔碳键。PTFE增强层中的自由基淬灭剂距离全氟磺酸有一定距离，所以自由基淬灭剂难以及时淬灭自由基，另外质子膜是电子绝缘体，电子难以传导，也会影响自由基淬灭剂的性能发挥。

发明内容

针对现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种自由基淬灭剂及其制备方法。

本发明的目的还在于提供上述自由基淬灭剂在膜电极的应用。

本发明的设计思路如下：首先选择合适的、不迁移的载体，碳纳米管和石墨烯都是优选。再对载体进行氧化处理。再通过液相合成法，将活性物质负载于载体上。再通过喷涂法将自由基淬灭剂喷涂在质子交换膜两侧，最后制备膜电极，测试其输出电压和耐久性。

本发明的技术方案如下：

一种自由基淬灭剂，所述自由基淬灭剂包括载体和活性物质，载体为炭黑、碳纳米管或石墨烯，活性物质为CeO₂、MnO₂、WO₃、Fe₃O₄、RuO₂、贵金属磷酸化合物、金属磷酸化合物或金属氟化物中任意一种或几种，自由基淬灭剂中活性物质的含量为10～60wt％。

进一步地，所述自由基淬灭剂的活性物质为纳米型颗粒，活性物质的粒径为1-50nm。

进一步地，所述载体为碳纳米管或石墨烯；活性物质为CeO₂或MnO₂；自由基淬灭剂中活性物质的含量为10～30wt％。

一种自由基淬灭剂的制备方法，所述制备方法包括：

对载体进行氧化处理；