[發明專利]一種在質子交換膜燃料電池內部凈化陰極反應氣的方法

有效

• 申請號: 200810229122.2
• 申請日: 2008-11-28
• 公開（公告）號: CN101752577A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發明（設計）人: 傅杰;侯明;杜超;邵志剛;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及質子交換膜燃料電池，是一種在電池內部凈化陰極反應氣 的方法，具體地說，是在陰極的制備過程中，于微孔層內將Vulcan?XC-72 炭黑中的一部分用高導電性石油焦質活性炭取代，增強了電池內部吸附陰 極雜質氣體的能力。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)除具有燃料電池的一般特點，如能量 轉化效率高，環境友好等，同時還具有可室溫快速啟動，無電解液流失， 比功率與比能量高等突出特點。因此，它不僅可用于建設分散電站，也特 別適宜于用作可移動動力源，是電動車和不依靠空氣推進潛艇的理想候選 電源之一，是軍民通用的一種新型可移動動力源，在未來的以氫作為主要 能量載體的氫能時代，它是最佳的家庭動力源。

隨著質子交換膜燃料電池研究的深入，電池的耐久性問題日益受到研 究者的廣泛關注與重視，環境氣氛適應性是其中的重要方面。由于質子交 換膜燃料電池運行過程中多采用環境空氣，因此空氣中所含有的各種雜質 氣體與電池的性能和壽命密切相關。

NO、NO₂、H₂S、SO₂等都是大氣中的主要污染物，多是工業廢氣和汽 車尾氣排放造成，其中陰極側空氣中的SO₂對電池性能的影響尤為顯著。 雜質氣體一旦進入電池，就會在電催化劑上吸附，占據Pt的活性位。而當 吸附達到一定程度，剩余活性位無法滿足氧還原反應的要求時，電池的性 能就會下降。而電池性能一旦下降，尤其是化學吸附的雜質造成的性能衰 減，在電池正常運行的電壓范圍內將很難恢復。

關于陰極雜質氣體在電催化劑上的吸附機理和對電池的影響程度，文 獻已經多有報導。消除的辦法也多是中毒之后通過施加高電位的方法，如 Los?Alamos實驗室在US?Patent?20060249399提出采用循環伏安掃描和 1.4V電壓脈沖5秒迅速恢復已中毒電池性能的方法。其原理就是對陰極加 以較高的電位，使得吸附在催化劑表面的雜質被氧化脫附，催化劑的活性 位重新裸露了出來，從而起到恢復電池性能的作用。但這種方法，只能在 停車的時候使用，且催化劑在高電位下容易流失，從而造成活性面積的下 降，影響電池的性能。

另外有研究人員采用外凈化的方法，如US?Patent?20060292425中提到 在電池進口前采用過濾裝置，中間加入活性碳纖維、離子交換纖維、離子 交換樹脂、分子篩等物質達到凈化原料氣的目的。CIPO?Patent?CA?2550875 中采用的過濾裝置中加入的是活性炭、活性氧化鋁等多孔物質及一些堿性 物質以更好的吸附酸性雜質，效果良好。US?Patent?2007009338中采用含堿 金屬及堿土金屬的分子篩來達到脫硫的效果。但采用外凈化的方法，會造 成空氣的壓力損失，增加系統負擔和成本，也可能造成部分堿性物質進入 電池，影響電池的運行環境。

發明內容

為彌補現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種凈化質子交換膜燃料 電池陰極進氣的方法，在電池內部實現雜質氣體的吸附脫除，從而起到保 護催化劑的作用。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：在陰極的制備過程中，于微 孔層內將Vulcan?XC-72炭黑中的一部分用高導電性石油焦質活性炭取代， 由于活性炭中含有的巨大比表面積和豐富的吸附活性位，電極吸附雜質氣 體的能力得到了增強。

所述質子交換膜燃料電池MEA的制備過程，具體步驟為：

(1)陰極擴散層以碳紙為基底層，經過憎水處理之后，使基底層中聚 四氟乙烯PTFE質量含量為20-40％；

(2)將XC-72炭黑與高導電性石油焦質活性炭按照一定比例混合，保 證二者在碳紙上的總擔載量為0.8-1mg/cm²，其中活性炭的含量為0.2-0.8 mg/cm²；

(3)在上述混合好的碳粉中按0.6-1ml/mg的比例加入乙醇，加入造孔 劑使其擔量為0.5-0.6mg/cm²，超聲震蕩，混合均勻；

(4)在上述混合液中加入PTFE，使得其中PTFE質量含量為30-50％， PTFE添加過程中保持超聲震蕩，直至混合成有粘性的漿料；