[发明专利]一种高温膜电极及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种耐阳极欠气反极高温膜电极及其制备方法。包括气体扩散层、多孔钯膜层和催化层；多孔钯膜层为具有多孔结构的金属钯单质；多孔钯膜层的厚度为1～50微米；孔隙率为20～50％；金属钯单质负载于气体扩散层表面；耐阳极欠气反应的高温膜电极中的金属钯单质的负载量为0.5～20毫克每平方厘米。因具有多孔钯膜层，在高温聚合物电解质膜燃料电池操作温度(150‑200摄氏度)条件下，金属钯具有储氢与放氢机制，在阳极欠气条件下，可实现在线氢气释放从而缓解反极现象的发生，大幅提升膜电极可靠性，提高膜电极燃料利用效率，同时该方法制备过程简单，可实现批量方法，具有较高的应用价值。

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种高温膜电极及其制备方法和应用。

背景技术

基于磷酸掺杂的高温聚合物电解质膜燃料电池由于其相较低温聚合物电解质膜燃料电池而言具有较高的CO耐受特性，最大CO耐受浓度可由后者的10ppm以下提升至3％左右，使得其可实现甲醇、乙醇、汽油、柴油、甲烷等燃料重整气的直接利用，大幅简化了燃料电池系统的复杂程度，并使得液体燃料的在线重整制氢发电成为可能。该技术途径有望在冷热电联供、增程式动力电源、便携式备用电源等领域实现其应用价值。由于液态磷酸的引入，高温聚合物电解质膜燃料电池多孔电极物质传输阻力大幅提高，对于阳极侧氢气传输来说，相对于动力学速率较快的氢氧化反应(HOR)，低氢气浓度(40-70％)条件下氢气在膜电极中的物质传输成为其电极过程的决速步骤。另一方面，为保证系统效率的提升，高阳极燃料利用效率是高温聚合物电解质膜燃料电池系统的重要解决思路，阳极进气计量比往往低于1.4乃至1.2，进一步对阳极物质传输提出了更高的要求。物质传输受限情况下，低化学计量比进气会导致膜电极产生多方面的技术问题。首先，在工作点条件下反应物无法及时到达活性位点，由于电堆串联电极中碳材料发生氧化反应，进而导致膜电极反极，过高电位下甚至导致膜电极穿孔失效；其次，氢气传质受限，容易导致CO等毒化物种在磷酸电解质中的吸附累积，造成膜电极性能与稳定性下降。因此，提高膜电极在低计量比重整气进气条件下的抗反极能力对高温聚合物电解质膜燃料电池系统的稳定可靠运行至关重要。

现有膜电极抗反极策略主要基于两个方面的技术途径。首先，优化流场与气体扩散层结构，提高双极板与气体扩散电极的疏水性，强化物质传输并降低磷酸对电极的浸润性，可有效缓解低计量比进料条件下由于欠气导致的反极。另一方面，基于氧化钌、氧化铈等赝电容材料的充放电特性，可缓解在欠气条件下电压快速波动幅度，减缓膜电极由于欠气导致的过电位腐蚀。以上技术途径虽然一定程度上缓解了膜电极欠气反极现象，但尚未从电极过程本质上解决阳极欠气问题，因而该类技术途径难以在电堆及系统中实现有效的应用。

发明内容

本申请针对高温电解质膜燃料电池在阳极欠气或低计量比进料条件下易发生反极的问题，申请了一种新型耐阳极欠气反极膜电极。

根据本申请的一个方面，提供一种耐阳极欠气反应的高温膜电极，包括气体扩散层、多孔钯膜层和催化层；

所述多孔钯膜层为具有多孔结构的金属钯单质；

所述多孔钯膜层的厚度为1～50微米；孔隙率为20～50％；

所述金属钯单质负载于气体扩散层表面；

所述耐阳极欠气反应的高温膜电极中的金属钯单质的负载量为0.5～20毫克每平方厘米。

所述多孔钯膜层的厚度为5～10微米。

所述气体扩散层包括支撑层和微孔层；

所述支撑层选自碳纸或碳布；

所述支撑层的厚度为50～500微米；孔隙率为50～80％；

所述微孔层选自活性炭；

所述微孔层的厚度为5～50微米；孔隙率为60～90％；

所述微孔层负载于支撑层表面。