[发明专利]一种燃料电池用金属氧化物掺杂的炭凝胶载体及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池催化剂用载体，具体地说是一种高稳定的炭干凝胶载体在质子交换膜燃料电池中的应用。这种炭干凝胶可用作质子交换膜燃料电池阴极/阳极催化剂载体。 

技术背景

燃料电池是一种直接将物质的化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池不以热机形式工作，发电过程不受卡诺循环的限制，其中的大部分燃料的化学能可直接转换为电能，能量转化效率可达到40～60%。同时，燃料电池发电过程中几乎不产生二氧化硫、氮氧化物和悬浮物等有害物质，也不放出温室气体二氧化碳，符合当今社会环保理念。同时，燃料电池所需辅助设备少，省去了大量输电线，操作方便可靠、灵活性大。这些优点使燃料电池被公认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术，近年来受到各国政府和企业的高度重视。 

目前电催化剂作为燃料电池关键材料，其材料及制备成本、电化学反应活性和长期运行的稳定性是实现燃料电池商业化最大的障碍。以常见的质子交换膜燃料电池为例，Pt等贵金属材料是在PEMFC中应用最为广泛的催化剂材料，其有限的资源、昂贵的价格以及复杂的制备工艺导致燃料电池的价格不能大幅度降低，成为燃料电池商业化的瓶颈。其中稳定性问题更是人们关注的重点。目前广泛使用的铂系催化剂为高比表面积的碳担载纳米级的铂粒子，在实际质 子交换膜电池的高酸性，高电位的运行条件下，作为载体的碳材料极易发生电化学腐蚀，生成二氧化碳和水，从而导致载体的腐蚀。载体的腐蚀会导致一系列问题：碳载体的腐蚀从而导致其表面担载的铂粒子流失，团聚，从而造成活性上的衰减；流失的铂粒子还有可能渗透到质子交换膜中，从而进一步导致膜的降解。各方面综合就会导致关键组件（如催化剂，膜）性能衰减严重，电池寿命缩短，性能衰减，因而稳定性方面距离实际应用还存在很大差距。因此，为实现燃料电池的商品化应用，开发一种高稳定性、价格低廉的载体材料迫在眉睫。 

碳材料凭借其低廉的成本，丰富的孔结构，适宜的比表面积和优良的导热导电性能，广泛地应用于燃料电池的电催化剂载体和多孔气体扩散电极的骨架。碳材料本身抗腐蚀性能较差，但通过掺杂修饰等方法，改进碳材料结构、组成以及表面官能团，引入新的掺杂成本可以使碳材料稳定性提高，从而抑制表面铂粒子的流失，防止催化剂失活。因而，开发研制一种具有高抗氧化腐蚀性能的碳材料作为燃料电池催化剂载体，将大幅度提高电池长期工作的稳定性，对燃料电池的商业应用具有重要意义。 

炭干凝胶材料具有较高的导电性能、较大的中孔比例、适宜的比表面积等特性，以往经常用作燃料电池载体。研究表明，炭干凝胶具有制备简单，价格低廉，是一种具有前景的质子交换膜燃料电池催化剂载体。另外，为了进一步提高炭干凝胶载体在质子交换膜燃料电池中的稳定性，需要对其进行结构以及性能上的改进。据研究表明，金属氧化物是一种制备方法简便，成本低廉的化合物，在高温酸性条件下具有非常好的稳定性。因此，在制备炭凝胶的前驱体中， 加入金属氧化物前驱体，再经过高温碳化形成的金属氧化物掺杂炭干凝胶作为催化剂载体，表现出比未掺杂金属氧化物炭干凝胶载体更稳定的性能，作为燃料电池电催化剂载体，可以提高燃料电池的稳定性，推动燃料电池的商业化应用。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型稳定型炭干凝胶载体及其在燃料电池中的应用；炭干凝胶具有较大的比表面积、适宜物质传输的中孔结构和良好的导电导热性能，而金属氧化物具有制备简便低廉，稳定耐腐蚀等特点，两者的复合材料作为燃料电池阴极催化剂载体，长期运行抗腐蚀性稳定性好。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种燃料电池用金属氧化物掺杂的炭凝胶载体，所述载体以间苯二酚、甲醛、配位化合物和可溶性金属无机盐为原料，采用如下过程制备而成： 

（1）将间苯二酚和溶剂A按0.1～10ml溶剂/1g间苯二酚的比例混合配制溶液B； 

（2）向溶液B中加入质量浓度为20～40%的甲醛溶液，间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:1～4:1，在20～100℃环境中搅拌直至反应形成溶胶凝胶前驱体； 

（3）将可溶性金属无机盐和溶剂Q按照体积比10:1～1：10混合稀释，加热30～160℃下回流和配位化合物进行混合配位，反应0.5～12h，得到所需的金属配合物，用溶剂Q将得到的金属配合物的体积稀释至稀释前原体积的2～10倍；混合配位时，其中可溶性金属无机盐中的金属与配位化合物中的有机配体摩尔比为20:1～1:20；