[發明專利]一種提升燃料電池壽命的方法

有效

• 申請號: 201910349314.5
• 申請日: 2019-04-28
• 公開（公告）號: CN110061247B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 解明
• 申請（專利權）人: 柔電(武漢)科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 胡建文

本發明涉及一種提升燃料電池壽命的方法，對作為燃料電池催化劑原料的載鉑碳材料進行處理，處理方法包括：將負載有Pt的碳粉體放入多孔容器中，多孔容器置于反應室內，對反應室抽真空并置換氮氣；通過流化或者旋轉多孔容器的方法將碳粉體分散；采用原子層沉積法在碳粉體表面形成無機包覆層；采用分子層沉積法在碳粉體外側無機包覆層的表面形成有機包覆層。本發明中，ALD法和MLD法能自動選擇性包覆，有效地覆蓋碳粉表面容易被氧化的缺陷處，但不包覆Pt表面，在防止催化劑腐蝕的同時不影響催化劑的催化性能，顯著地提升燃料電池的壽命。有機包覆層在酸性和高溫高濕的環境下能夠較好地保護內側的ALD無機包覆層和碳粉，進一步提高催化劑的防腐蝕能力。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種提升燃料電池壽命的方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種將氫氣和氧氣中的化學能直接轉化為電能的電化學能量轉換裝置，其能量轉換效率高，對環境友好，幾乎不排放氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等有害氣體或者溫室氣體，被認為是未來首選的潔凈且高效的發電技術之一。

目前PEMFC陰極氧還原催化劑主要為商業Pt/C催化劑。但是在燃料電池的實際運行過程中，高加濕、低PH值和高電勢等極端環境會導致催化劑中的碳載體材料發生電化學腐蝕，從而進一步導致其負載的Pt納米顆粒發生遷移、流失和團聚，更嚴重時有可能導致催化層結構發生坍塌。因此，能在苛刻的工作環境中保持較高穩定性的碳載體材料直接決定了燃料電池氧還原催化劑的壽命。

催化劑中的碳載體材料不僅為Pt顆粒提供了電子和氧氣的傳輸通道，還能夠對催化劑活性點產生明顯的輔助作用。在催化反應過程中，碳載體的化學組成、電子排布、三維形貌、比表面積、孔隙率、微觀結構、電導率以及石墨化程度等都會直接影響反應物與活性點的相互作用，從而對催化劑的整體催化活性產生極大的影響。因此，作為燃料電池催化劑的載體材料，碳載體必須要滿足以下兩個條件：(1)優良的導電性：催化劑上會發生電子轉移以及一系列的電化學反應，需要有轉移電子的通道和能力；(2)優良的物理和化學穩定性：在PEMFC實際工作環境中，碳載體極易發生電化學腐蝕而導致活性組分Pt的團聚和流失，所以要選擇能在苛刻的工作環境保持穩定性的碳載體。

目前，Vulcan XC-72炭黑材料由于其較好的導電性和合適的孔結構，是最為常見的Pt基催化劑碳載體材料；但是Vulcan XC-72具有石墨化程度低、比表面積大、表面缺陷多等缺點。由于PEMFC內工作環境十分苛刻(強酸性、高電勢、高濕度和高溫度等)，催化劑載體容易腐蝕，使得Pt從載體表面脫落或者Pt與載體間作用力減弱，導致催化劑衰減。目前最常用的催化劑載體為Vulcan XC72碳黑，然而在熱力學上，當電勢高于0.207V(vs.NHE)時，碳黑會被電化學氧化，生成表面氧化物直至CO₂。在電池開路運行時，陰極電勢高于0.9V；在電池啟動/停車過程中，陰極局部界面電勢甚至可能達到將近1.6V，這就使碳腐蝕反應加速。為了提高碳載體的抗腐蝕能力，專利CN108682874A是對其表面進行石墨化處理。目前，制備石墨化碳的方法主要是由高溫處理無定形碳，從而將無定型碳經相變轉換為三維石墨化結構而得到；通過這種方法制備的石墨化碳表面的碳原子之間都是SP2雜化，具有較高的導電性、較好的化學穩定性及耐腐蝕性；但是經過高溫石墨化處理后的碳材料內部只有微弱的范德華力，同時活性炭表面的雜原子在高溫煅燒的過程中被去除，因此得到的石墨化碳具有一定的化學惰性，從而導致Pt顆粒與碳載體的結合力很小，附著在上面的Pt顆粒容易發生遷移和團聚。

發明內容

本發明實施例涉及一種提升燃料電池壽命的方法，至少可解決現有技術的部分缺陷。

本發明實施例涉及一種提升燃料電池壽命的方法，對作為燃料電池催化劑原料的載鉑碳材料進行處理，處理方法包括：

S1，將負載有Pt的碳粉體放入多孔容器中，多孔容器置于反應室內，對反應室抽真空并置換氮氣；通過流化或者旋轉多孔容器的方法將碳粉體分散；

S2，采用原子層沉積法在碳粉體表面形成無機包覆層；