[发明专利]一种燃料电池用催化剂载体、催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用催化剂载体、催化剂及其制备方法，其中，所述催化剂载体通过如下步骤制备得到：将碳载体加入混合溶液中，然后依次进行超声分散、搅拌、沉降、抽滤、干燥、焙烧，即得所述燃料电池用催化剂载体，其中，所述混合溶液为含有钒前驱体的草酸溶液与乙醇水溶液的混合。本发明制备的复合载体，采用了耐酸碱性能优势的钒氧化物，在高电位时优先进行不同价态钒离子之间的转换，减缓了碳腐蚀的发生，提高催化剂的耐久性。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用催化剂载体、催化剂及其制备方法。

背景技术

PEMFC作为一种以H₂为燃料，O₂为氧化剂的燃料电池，具有零排放、效率高、启动速度快、低温运行等优点，可作为动力能源应用于汽车、航天、无人机等领域，也可以应用于分布式发电、家庭热电联供、备用电源等领域；PEMFC主要由MEA、双极板、集电板以及端板组成。其中MEA是发生催化反应的场所，是PEMFC的核心零部件，它由催化层、质子交换膜和气体扩散层构成。

PEMFC的耐久性与上诉组件的耐久性息息相关；催化剂是电化学反应发生的场所，在阳极催化层中发生氢氧化反应，在阴极催化层中发生氧还原反应；目前PEMFC所使用的催化剂是一种负载型金属催化剂，尤其以Pt/C最为常见，在实际应用中，其主要有以下几种衰减机制：1、在催化剂载体表面上，Pt原子簇的晶体迁移；2、小颗粒Pt溶解形成离子，并在大颗粒上重新沉积长大，或扩散进入离子交换膜中，随后在氢气的还原下形成Pt颗粒；3、由于催化剂载体碳发生腐蚀导致Pt颗粒脱落；其中碳载体的腐蚀是最容易导致催化剂电化学性能的衰减，现有研究发现，主要有两大类不良操作工况能够产生较高的电极电位来增加碳腐蚀的动力学：1、整体燃料电池饥饿；2、局部燃料饥饿。

碳腐蚀对催化剂的衰减速率有很大的影响，其特征是催化剂的ECSA的急剧减少。此外，碳腐蚀还会导致电极形貌发生较大变化，局部氢饥饿引起的碳腐蚀导致整个电极多孔结构的坍塌，进而阻止气和水进入催化层，导致较高的浓差极化和欧姆极化。

因此，本领域急需一种能有效减少或避免碳腐蚀发生的碳载体。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池用催化剂载体及其制备方法。

本申请之目的还在于提供一种含有如上所述碳载体的催化剂及其制备方法。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种燃料电池用催化剂载体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

将碳载体加入混合溶液中，然后依次进行超声分散、搅拌、沉降、抽滤、干燥、焙烧，即得所述燃料电池用催化剂载体，其中，所述混合溶液为含有钒前驱体的草酸溶液与乙醇水溶液的混合。通过上述制备方法，最终得到氧化钒/碳复合氧化物；在燃料电池运行中存在高电位的状态，催化层中的碳载体在高电位下易发生水解反应，导致碳发生腐蚀，进而使得负载在碳的铂流失，降低膜电极性能；添加一定含量的氧化钒后，在高电位下，由于不同价态钒氧化物的存在，优先发生不同价态的钒的转换，防止了碳载体的氧化，减缓了碳载体的腐蚀，进而提升了催化剂的耐久性。

在第一方面的一种实施方式中，所述碳载体包括Vulcan XC72R、BP2000、EC300JD、EC600JD中的一种。

在第一方面的一种实施方式中，所述钒前驱体包括偏钒酸铵、偏钒酸钠、偏钒酸钾中的一种；且所述钒前驱体在草酸溶液中的质量分数为3％～10％。

在第一方面的一种实施方式中，所述混合溶液中，所述乙醇水溶液的质量分数为20％～50％，且所述乙醇水溶液与碳载体的质量比为(50～100)：1。

在第一方面的一种实施方式中，所述超声分散的超声时间为20～30min，超声频率为20～40KHz。