[發(fā)明專利]一種用于燃料電池膜電極的陽極催化劑及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111336316.4
• 申請日: 2021-11-11
• 公開（公告）號: CN114171750A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭曄;白金勇;達(dá)斯汀·威廉·班哈姆;崔自然
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東泰極動力科技有限公司
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/90;H01M4/88;H01M8/1004;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 顏希文;郝傳鑫

本發(fā)明公開了一種用于燃料電池膜電極的陽極催化劑及其制備方法。該陽極催化劑包括Pt/碳催化劑、離聚物和抗逆轉(zhuǎn)催化劑，其制備方法直接將耐逆轉(zhuǎn)催化劑添加到鉑/碳催化劑中，通過調(diào)整催化劑中各組分的比例控制催化劑層的厚度，制備得到抗逆轉(zhuǎn)、高耐久性的燃料電池膜電極。所述的耐逆轉(zhuǎn)催化劑為銥或釕單質(zhì)、銥或釕的氧化物、銥或釕的單質(zhì)或氧化物的復(fù)合催化劑。催化劑層的厚度為1?8μm。本發(fā)明的一些膜電極的厚度實(shí)例，可以獲得超高的抗逆轉(zhuǎn)耐久性，且制備方法簡單，可滿足不同的設(shè)計(jì)需求，并減少耐逆轉(zhuǎn)催化劑的使用量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于燃料電池膜電極的陽極催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池又稱電化學(xué)發(fā)電器，它是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。燃料電池具有效率高、噪音小，有害氣體排放少等優(yōu)勢。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池中的一種，它直接將氫能轉(zhuǎn)化為電能，是目前商用電動汽車中最有前途的能源系統(tǒng)。它的膜電極組件(MEA，Membrane ElectrodeAssembly)是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所。MEA的性能直接影響整個燃料電池的性能。車輛PEMFC的工作條件非常復(fù)雜，需要在啟停、怠速、高功率和負(fù)載變化之間頻繁切換，嚴(yán)重影響了燃料電池核心部件MEA的耐久性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致燃料電池壽命大幅度下降。尤其是陽極的氫饑餓引發(fā)的電勢逆轉(zhuǎn)對電池的傷害遠(yuǎn)大于陰極氧饑餓損傷，陽極的抗逆轉(zhuǎn)性能直接影響電池的壽命。傳統(tǒng)的燃料電池MEA，陽極催化層(Anode catalyst layer)由貴金屬(如Pt等)/碳催化劑和離聚物組成，厚度為4～8μm。MEA的設(shè)計(jì)和制備首先要遵循燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的基本原理和特性，并且與燃料電池最終的使用條件綜合考慮。

CN104868130A專利公開了一種在燃料電池質(zhì)子交換膜與陰極催化劑層或陽極催化劑層之間形成鉑銥黑層，增強(qiáng)催化劑層和質(zhì)子交換膜之間的緊密結(jié)合，以提高M(jìn)EA的使用壽命，但是該方法操作復(fù)雜，且有大量廢液。CN111697237A專利公開了一種燃料電池抗逆轉(zhuǎn)膜電極，將抗逆轉(zhuǎn)催化劑制備成懸濁液后和貴金屬催化劑混合使用，解決了催化劑分散和沉降的問題，但是抗逆轉(zhuǎn)催化劑制備需要長時(shí)間高溫?zé)Y(jié)和電化學(xué)處理。CN103270631A專利公開了改進(jìn)型的PEMFC的MEA，在陰極或陽極催化劑層加入多種電催化劑以解決嚴(yán)苛操作條件的性能問題，但沒有明確抗極化時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處而提供一種用于燃料電池膜電極的陽極催化劑及其制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種用于燃料電池膜電極的陽極催化劑，包括貴金屬/碳催化劑、離聚物和抗逆轉(zhuǎn)催化劑；所述貴金屬/碳催化劑以多孔碳材料為載體，貴金屬粒子負(fù)載在多孔碳材料的內(nèi)部或表面；所述抗逆轉(zhuǎn)催化劑為銥單質(zhì)、釕單質(zhì)、含銥金屬氧化物或含釕金屬氧化物；所述貴金屬在陽極催化劑中的負(fù)載量為0.05～0.1mg/cm²。

發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整貴金屬/碳催化劑中貴金屬的負(fù)載量可以控制陽極催化劑層的厚度。因?yàn)槎嗫滋疾牧陷d體密度低，貴金屬的負(fù)載量在一定范圍內(nèi)變化，能快速實(shí)現(xiàn)膜厚度的調(diào)控。較小的陽極催化劑層厚度，減小了傳質(zhì)阻力，同時(shí)增加了抗逆轉(zhuǎn)催化劑和貴金屬/碳催化劑之間的接觸，減弱了逆轉(zhuǎn)情況下對碳的腐蝕，從而抗逆轉(zhuǎn)耐久性大幅度提高。

進(jìn)一步地，所述抗逆轉(zhuǎn)催化劑在陽極催化劑中的負(fù)載量為0.03～0.06mg/cm²。

發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抗逆轉(zhuǎn)催化劑的負(fù)載量為0.03～0.06mg/cm²范圍內(nèi)時(shí)，可以使所制得的膜電極的抗逆轉(zhuǎn)耐久性可以大幅度提高。

進(jìn)一步地，所述貴金屬粒子為鉑，所述鉑與銥的摩爾比為6～2:1，或所述鉑與釕的摩爾比為6～2:1。