[发明专利]一种燃料电池用抗反极催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用抗反极催化剂及其制备方法，其包括：a、将含碳载体和分散剂混合得到载体浆液，之后加入非Pt贵金属前驱体进行混合得到含非Pt贵金属浆液；b、将含非Pt贵金属浆液加热处理，干燥后得到负载型含非Pt贵金属固体或含非Pt贵金属化合物固体；c、将负载型含非Pt贵金属固体或含非Pt贵金属化合物固体进行第一烧结处理，得到碳载含非Pt贵金属粉体；d、将所述步骤c得到的负载型含非Pt贵金属粉体进行第二烧结处理，得到抗反极催化剂粉体。本发明的方法制得的催化剂在保证非Pt贵金属分散均匀的同时提高了反极耐久性，降低了Na和Cl离子残留量，降低了离子杂质对燃料电池关键零部件的工作寿命影响。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用抗反极催化剂，特别地，还涉及该燃料电池用抗反极催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种洁净、高效的能量转换装置，在分布式电站、电动汽车、航空航天等多个领域具有广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池作为燃料电池领域的重要分支，除了拥有燃料电池一般性特点之外，还具有比功率高、启动速度快和寿命长等突出优点。

近年来质子交换膜燃料电池技术尽管得到了不断的发展，但是在实际运行条件下的稳定性和可靠性仍然是使其大规模商业化应克服的主要问题之一。车载燃料电池的启停、燃料匮乏可能是质子交换膜燃料电池失效的潜在原因，通常这种情况发生在苛刻的运行条件下，例如零下启动和快速负载变化。其次，设计不当的流场，电池堆或组件结构导致的不均匀流动分布同样也会引起单个电池中的局部燃料不足或电池堆中某些电池的燃料不足。当电池处于燃料匮乏的条件下，阳极侧氢气不再足以发生氧化反应释放电子和质子以维持电荷平衡，由此水分子和碳载体会发生反应，从而为阴极的氧还原反应提供所需的质子和电子。

电解水析氧反应：

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-

或者碳的电化学氧化：

C + 2H₂O → CO₂ + 4H⁺ + 4e^-

C + H₂O → CO + 2H⁺ + 2e^-

在这种状态下,燃料电池阳极的电极电势会超过阴极的电极电势，使整个电池电压变为负，出现电池电压反极现象。在这种电压反转条件下，碳载体发生高电位腐蚀，从而阳极催化剂结构坍塌，导致催化剂（Pt）纳米颗粒从载体上脱落失效，另外高电位也导致（Pt）纳米颗粒迁移、团聚和长大，从而催化剂有效催化活性面积损失，对催化剂造成不可逆的破坏，严重影响膜电极的输出性能；阳极内催化剂层孔结构的坍塌，还会阻碍电催化中质子的有效传输。反极发生的同时，还伴随着大量热的产生，持续的局部热量散发会在质子交换膜上造成针孔，降低开路电压，导致运行的燃料电池突然关闭，并且针孔的存在可能会使电池阴阳极的气体（H₂和O₂）混合而引发火灾。一些研究者发现反极过程中，水电解反应和碳腐蚀反应是竞争反应，可以通过向阳极加入抗反极材料促进水的电解而抑制碳腐蚀，这种策略不需要主动监测电池电压，极大地提高了电堆的抗反极性能。

CN111029599A公开了一种燃料电池抗反极催化剂及其制备方法，催化剂包括铱氧化物复合铌掺杂的二氧化钛纳米催化剂。其中，铌掺杂的二氧化钛是载体。通过这种方式，该发明能够得到有效缓解燃料电池阳极侧反极发生时的碳载体腐蚀和铂颗粒团聚长大的催化剂，使燃料电池抗反极时间得到延长。但是，该专利中采用铌掺杂的二氧化钛作为载体，制备工艺复杂，难以获得高金属负载率（≥30wt%）的催化剂，且铌掺杂的二氧化钛电导率低不利于电化学反应的发生。