[發明專利]評估燃料電池催化劑在額定電勢下氧還原活性的方法

在審

• 申請號: 201811230728.8
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109507240A
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 潘牧;饒妍;譚金婷
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01N27/06
• 分類號: G01N27/06
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明;孫方旭

本發明設計了一種評估燃料電池催化劑在額定電勢下氧還原活性的方法，包括測量燃料電池在不同電勢區間的電化學阻抗譜，得到陰極的電荷傳輸阻抗值。燃料電池的電化學阻抗譜可以在不同的電勢下進行測試，可以采用恒電流模式或者恒電壓模式。由燃料電池的電化學阻抗譜得到陰極電荷傳輸阻抗值，可以采用等效電路擬合方法得到，或者可以使用分頻、編程的解析方法獲得。與傳統的催化劑表征方法相比，本發明使用電荷傳輸阻抗用作指示符，不僅在高電勢0.9V下適用，并且能夠評估催化劑在燃料電池實際工作電勢下的活性，能夠篩選出用于質子交換膜燃料電池膜電極用高活性催化劑。

技術領域

本發明屬于質子交換膜燃料電池催化劑評估技術領域，尤其涉及一種評估燃料電池催化劑在額定電勢下氧還原活性的方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池由于具有很高的功率密度且清潔環保，已成為最受關注的能源裝置。高成本是阻礙質子交換膜燃料電池商業化發展的重大瓶頸，而其中Pt基催化劑的使用，極大地提高了燃料電池的成本。為了與內燃機成本相比較，質子交換膜燃料電池要求在一輛功率為80kW的汽車上僅使用10g貴金屬Pt，即每千瓦電量僅需Pt用量0.125克。據此，美國DOE提出了1W/cm²的膜電極性能指標，對應的Pt載量為0.125mg/cm²。要求膜電極的 Pt用量0.125g/kW，功率密度達到1.4W/cm²的性能指標，則相應的Pt載量為0.175mg/cm²。所以，發展低Pt載量高性能的膜電極是促進質子交換膜燃料電池商業化的必經之路。

隨著陰極Pt載量的降低，特別是當Pt載量降至0.1mg/cm²以下時，活化過電勢會急劇增大，這取決于催化劑催化氧還原反應的活性，所以尋求具有更高活性的催化劑是一項重要課題。美國DOE提出，2020年車用燃料電池催化劑的性能指標，在0.9V下要達到0.44 A/mg的質量比活性，0.7mA/cm²的面積比活性。2016年DOE年度工作評估報告顯示，Pt 合金催化劑的活性均高于Pt/C催化劑并已經達到甚至超過這一指標。但是，由Pt合金催化劑制成的膜電極性能在實際工作電壓區間反而低于Pt/C催化劑制成的膜電極性能。 PtCo、PtNi合金催化劑能夠達到DOE的催化劑指標，但是不能達到膜電極的性能指標，因此不能用0.9V下的氧還原活性評價催化劑在膜電極中的性能。而目前催化劑氧還原活性的指示符，包括DOE給出的指標，均是在高電勢下適用，其活性并不能代表催化劑在燃料電池實際工作區間(0.8V-0.6V)的催化活性，所以我們不僅需要尋找具有更高活性的催化劑，更需要在燃料電池額定電勢區間具有高催化活性的催化劑，研究催化劑在額定電勢下催化活性的表征方法對篩選高性能的燃料電池膜電極用氧還原催化劑至關重要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種評估燃料電池催化劑在額定電勢下氧還原活性的方法，能夠評估催化劑在高電勢區間和額定電勢區間的催化活性。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種評估燃料電池催化劑在額定電勢下氧還原活性的方法，該方法包括以下步驟，測量燃料電池在不同電勢區間的電化學阻抗譜，得到陰極的電荷傳輸阻抗值。

電荷傳輸阻抗值越小，代表電化學反應更容易發生，催化劑具有更高的催化活性。

可以依據計算公式可由電荷傳輸阻抗Rct逆推得出Tafel斜率，從而獲得不同電勢下的Tafel斜率值，計算公式如下：

推導過程為：在高的過電勢下，Butler-Volmer方程可簡化為：

j＝j₀e^αnFη/RT) (1)

解得Tafel方程，

根據電荷傳輸阻抗的定義式，