[發明專利]一種抗反極催化劑及其制備方法和燃料電池

在審

• 申請號: 202210522666.8
• 申請日: 2022-05-13
• 公開（公告）號: CN114864973A
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 李詠煥;王英;張運搏;孫奎;蘇建敏
• 申請（專利權）人: 中汽創智科技有限公司
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 陳小龍

本發明提供了一種抗反極催化劑及其制備方法和燃料電池，所述抗反極催化劑包括TiN?TiO₂載體和負載在TiN?TiO₂載體上的活性組分，所述TiN?TiO₂載體中TiN原位生長在TiO₂的表面，所述活性組分包括PtRu合金，所述PtRu合金中Pt和Ru的摩爾比小于等于100:1。本發明以PtRu合金為活性組分，TiN?TiO₂為載體，得到抗反極催化劑，特定含量的Ru元素能夠提高催化劑整體電解水性能，同時TiN原位生長在TiO₂的表面，二者協同作用提升催化劑的導電性和穩定性，有效擺脫燃料電池反極所帶來的碳腐蝕，從而能夠保護燃料電池催化層的結構與性能，提高燃料電池的耐久性，進行提升電池的安全性能。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及一種抗反極催化劑及其制備方法和燃料電池。

背景技術

近年來，潔凈能源領域正大力發展，質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種能將化學能直接轉換為電能的裝置，由于其具備無污染、能量轉換效率高、室溫快速啟動等優點，在清潔能源領域受到了廣泛關注，但是PEMFC的耐久和成本仍然是大規模商業化的障礙。而膜電極作為PEMFC的關鍵部件，其性能很大程度上決定了電池的性能，其中，催化劑作為膜電極的基礎，其重要性可想而知。目前膜電極的催化層主要是由Pt/C催化劑、Nafion離聚物噴涂在質子交換膜上形成，稱為“CCM”，形似三明治結構。催化層是氫氣和氧氣的主要反應場所，氫氣在陽極催化層中被氧化，產生質子和電子，質子通過質子交換膜轉移到陰極，從而能夠和氧氣反應。

當PEMFC在較為復雜的工況下運行時，如快速變載、啟停和低溫啟動等，可能會出現燃料不足的問題，此時催化層中無法進行氫氣氧化反應提供質子和電子，就需要其他反應如水電解和碳腐蝕反應維持電荷平衡，從而導致陽極電位高于陰極，電池電壓出現負值，電壓不斷降低，這就是“反極”。電池反極會嚴重損壞催化層和氣體擴散層，從而影響電池性能和耐久，嚴重情況下還會造成安全事故。

目前，研究人員通過系統控制策略監測電池狀況，防止反極的發生；但是這種系統控制策略增加了電池系統的復雜性和成本，并且這些策略均“治標不治本”，當電池發現異常時反極現象已經出現。因此研究人員從材料方面進行了抗反極研究，如使用非碳載體，向催化層中引入電解水催化劑等。

CN111082078A公開了一種高性能且抗反極的膜電極組件的制備方法，其在催化劑漿料中添加電解水催化劑，噴涂到質子交換膜上，能有效緩解反極造成的損害。但是直接添加催化劑顆粒容易引起團聚，掩蓋Pt的活性位點。CN111029599A公開了一種燃料電池抗反極催化劑及其制備方法，所述催化劑是銥氧化物復合妮摻雜的二氧化鈦，采用該發明的抗反極添加劑能夠延長反極期間的電解水反應時長，但是由于金屬氧化物的導電性差，會影響電池本身的性能，高電密下回出現嚴重的傳質極化。另外，該催化劑的制備過程較為繁瑣，需要氫氣高溫還原，存在一定安全隱患。

因此，亟需提供一種導電性、穩定性、耐久性均良好的燃料電池抗反極催化劑，從而提升燃料電池的安全性能。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種抗反極催化劑及其制備方法和燃料電池。本發明以PtRu合金為活性組分，以TiN-TiO₂為載體，得到抗反極催化劑，特定含量的Ru元素能夠提高催化劑整體電解水性能，同時TiN原位生長在TiO₂的表面，二者協同作用提升催化劑的導電性和穩定性，有效擺脫燃料電池反極所帶來的碳腐蝕，從而能夠保護燃料電池催化層的結構與性能，提高燃料電池的耐久性，進行提升電池的安全性能。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：