【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高温聚合物电解质膜燃料电池，具体涉及一种燃料电池抗反极阳极及其制备方法和应用。
技术介绍
1、基于磷酸掺杂聚苯并咪唑电解质膜的高温(150-200℃)聚合物电解质膜燃料电池，由于具有较快的电极反应过程动力学以及对阳极杂质具有较强的耐受性，可对燃料重整之后的富氢燃料直接利用，被认为是一种极有潜力的新型燃料电池技术，在动力电源、分布式发电站等领域具有广阔的应用前景。然而，在实际应用中，与高温聚合物电解质膜燃料电池技术联用的都是未经过纯化的重整氢，其多为甲醇、乙醇等醇类重整而得的混合气，或为汽油、柴油、甲烷等化石燃料重整而得的混合气，其中通常含有约30-70％的氢气、1-3％的有毒性气体co以及大量稀释性气体。重整气的贫氢特性使得聚合物电解质膜燃料电池极易因阳极欠气而造成反极的发生。因此，亟待开发具有抗反极能力的电极。
2、目前文献报道中的缓解欠气反极策略主要集中在系统管理和电极材料修饰两个方面。其中系统管理方面主要是利用外部添加的设备对电压或电流或局部温度进行监测，或对阳极出口处的co2含量进行监测。通常来说，反极发生时，会造成局部电压或电流的急剧变化，或温度的急剧升高，或由于碳腐蚀而产生大量二氧化碳气体。利用外部监测设备实时监测电池的状态，有利于反极发生时的及时发现。然而，这样的系统管理方式将大幅增加的系统成本，不利于聚合物电解质膜燃料电池的商业化推广。电极材料修饰方面主要是向阳极催化层中添加促水电解催化剂或使用抗氧化载体。一般来说，反极发生时的不利反应首先是水的电解，然后发生碳载体的腐蚀。促水电解催化剂
技术实现思路
1、本专利技术提供一种具有抗反极功能的阳极及其制备方法和应用，从阳极催化层入手，通过阳极的可控制备，解决因阳极燃料不足造成反极发生的技术问题，并且在贫氢重整气组分进料的高温聚合物电解质膜燃料电池中实现应用。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、本专利技术一方面提供一种具有抗反极功能的阳极，所述阳极包括气体扩散层和负载于气体扩散层表面的催化层；所述催化层包括电催化剂、储氢材料、疏水剂ⅰ和粘结剂ⅰ。
4、上述技术方案中，进一步地，所述催化层中，电催化剂和储氢材料的质量载量分别为0.5-2mg/cm2、0.05-1mg/cm2；储氢材料、疏水剂ⅰ和粘结剂ⅰ的质量为分别为电催化剂的10-50％、1-30％和1-10％；所述催化层厚度为10-100μm。
5、上述技术方案中，进一步地，所述电催化剂包括碳担载的铂和/或铂与钌、钴、铜、钯、金、镍中一种或二种以上的合金；所述储氢材料包括碳担载的钯和/或钯与铂、金、铱、银、镉中一种或二种以上的合金；所述疏水剂ⅰ包括聚四氟乙烯(ptfe)或聚偏氟乙烯(pvdf)中的一种或二者的混合物；所述粘结剂ⅰ包括聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、全氟磺酸聚合物(pfsa)中的一种或二种以上的混合物。
6、上述技术方案中，进一步地，所述气体扩散层包括支撑层和负载于支撑层表面的微孔层；所述支撑层包括碳纸或碳布、疏水剂ⅱ；所述微孔层包括碳粉、疏水剂ⅲ和粘结剂ⅱ；所述气体扩散层中，碳粉的质量载量为0.5-5mg/cm2；所述支撑层中，疏水剂ⅱ的质量为碳纸或碳布的5-30％；所述微孔层中，疏水剂ⅲ的质量为碳粉的1-30％，粘结剂ⅱ的质量为碳粉的1-10％。
7、上述技术方案中，进一步地，所述疏水剂ⅱ包括聚四氟乙烯(ptfe)或聚偏氟乙烯(pvdf)中的一种或二者的混合物；所述疏水剂ⅲ包括聚四氟乙烯(ptfe)或聚偏氟乙烯(pvdf)中的一种或二者的混合物；所述粘结剂ⅱ包括聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、全氟磺酸聚合物(pfsa)中的一种或二种以上的混合物。
8、本专利技术另一方面提供一种上述燃料电池抗反极阳极的制备方法，所述方法包括以下步骤：
9、(1)将电催化剂、储氢材料、疏水剂ⅰ、粘结剂ⅰ和溶剂ⅰ置于容器中，超声30-60min至分散均匀，得到催化层浆料；
10、(2)采用刷涂、喷涂或刮涂的方式将步骤(1)得到的催化层浆液涂覆于气体扩散层表面，干燥；
11、(3)将步骤(2)得到的负载有催化层的气体扩散层置于氮气气氛中，于200-400℃条件下热处理0.5-2小时，充分冷却后取出即得所述阳极。
12、上述技术方案中，进一步地，所述溶剂ⅰ为乙醇与水、异丙醇、乙二醇中的任意一种的混合物；所述溶剂ⅰ的加入量为电催化剂质量的5-20倍；所述乙醇与水、异丙醇、乙二醇中的任意一种的质量比为10:1-1:10。
13、上述技术方案中，进一步地，所述气体扩散层的制备方法包括以下步骤：
14、1)将碳纸或碳布浸润至疏水剂ⅱ中，经干燥后置于马弗炉中，在氮气气氛下，于200-400℃条件下热处理0.5-2小时，降至室温后取出即得疏水化碳纸或碳布；
15、2)将碳粉、疏水剂ⅲ、粘结剂ⅱ和溶剂ⅱ置于容器中，超声30-60min至分散均匀，得到碳粉浆液；
16、3)采用刷涂、喷涂或刮涂的方式将步骤2)得到的碳粉浆液涂覆于步骤1)得到疏水化碳纸或碳布表面，经干燥后置于马弗炉中，氮气气氛下，于200-400℃条件下热处理0.5-2小时，降至室温后取出即得所述气体扩散层。
17、上述技术方案中，进一步地，所述溶剂ⅱ为乙醇与水、异丙醇、乙二醇中的任意一种的混合物；所述溶剂ⅱ的加入量为电催化剂质量的5-20倍；所述乙醇与水、异丙醇、乙二醇中的任意一种的质量比为10:1-1:10。
18、本专利技术再一方面提供一种上述燃料电池抗反极阳极在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
19、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
20、1.结构可控：本专利技术中阳极的孔隙率、亲疏水性及厚度均可通过制备过程中的参数进行调控。
21、2.抗反极性能优异：本专利技术的阳极，由于具有一定的储氢能力，可大幅提高氢气利用率，降低电池在贫氢时发生反极的可能性。
22、3.实用性强：相比于现有技术的制备方法，本专利技术制备方法可控性强，减少了其他方法带来的孔隙率低、疏水性差、电极厚度大等问题，实用性强。
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1.一种燃料电池抗反极阳极，其特征在于：所述阳极包括气体扩散层和负载于气体扩散层表面的催化层；
2.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述催化层中，电催化剂和储氢材料的质量载量分别为0.5-2mg/cm2、0.05-1mg/cm2；
3.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述电催化剂包括碳担载的铂和/或铂与钌、钴、铜、钯、金、镍中一种或二种以上的合金；
4.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述气体扩散层包括支撑层和负载于支撑层表面的微孔层；
5.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述疏水剂Ⅱ包括聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或二者的混合物；
6.一种权利要求1-5任一项所述的燃料电池抗反极阳极的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂Ⅰ为乙醇与水、异丙醇、乙二醇中的任意一种的混合物；所述溶剂Ⅰ的加入量为电催化剂质量的5-20倍；
8.根据权利要求6所述的制备方法，所述气体扩散层的制备方法包括以下步
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂Ⅱ为乙醇与水、异丙醇、乙二醇中的任意一种的混合物；所述溶剂Ⅱ的加入量为电催化剂质量的5-20倍；
10.一种权利要求1-5任一项所述的燃料电池抗反极阳极或权利要求6-9任一项所述制备方法制得的的燃料电池抗反极阳极在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池抗反极阳极，其特征在于：所述阳极包括气体扩散层和负载于气体扩散层表面的催化层；
2.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述催化层中，电催化剂和储氢材料的质量载量分别为0.5-2mg/cm2、0.05-1mg/cm2；
3.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述电催化剂包括碳担载的铂和/或铂与钌、钴、铜、钯、金、镍中一种或二种以上的合金；
4.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述气体扩散层包括支撑层和负载于支撑层表面的微孔层；
5.根据权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述疏水剂ⅱ包括聚四氟乙烯(ptfe)或聚偏氟乙烯(pvdf)中的一种或二者的混合物；
6.一种权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：王素力，徐欢，夏章讯，孙公权，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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