[发明专利]一种高性能、抗CO中毒的CCM及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能、抗CO中毒的CCM及其制备方法，属于燃料电池膜电极CCM，包括阳极催化剂PtRu/Ti₄O₇、阴极催化剂Pt₅Co₁/W‑SnO₂和质子交换膜；阳极催化剂中PtRu是活性组分，Ti₄O₇是载体；阴极催化剂Pt₅Co₁/W‑SnO₂；阴极催化剂中Pt₅Co₁是活性组分，W‑SnO₂是载体。本发明为增强Pt抗CO中毒的能力，采用铂钌合金作为阳极活性组分；为避免炭黑在高电位下的腐蚀，采用耐高电位腐蚀材料Ti₄O₇和W‑SnO₂，其中Ti₄O₇在燃料电池阳极的化学环境中仍然保持较高的电导率，W‑SnO₂在燃料电池阴极的化学环境中仍然保持较高的电导率。

技术领域

本发明属于燃料电池膜电极CCM技术领域，具体地，涉及一种高性能、抗CO中毒的CCM及其制备方法。

背景技术

膜电极的核心部分是催化剂涂覆膜(Catalyst Coated Membrane，简称CCM)，CCM是由“质子交换膜、阳极催化层和阴极催化层”三者构成，所以CCM也可以写作3CCM。常规的3CCM生产过程主要有4个过程。①由两套催化剂合成产线分别制备阳极催化剂和阴极催化剂。②由两套浆料分散产线分别将阳极催化剂和阴极催化剂制备成阳极浆料和阴极浆料。③由第一台喷涂设备将阳极浆料喷涂到质子膜阳极面，干燥并形成阳极涂层，记为2CCM。④由第二台喷涂设备继续将阴极浆料喷涂在2CCM的阴极面，干燥并形成阴极涂层，记为3CCM。

铂纳米颗粒对阳极的氢气氧化反应(HOR)具有极高的催化活性，反应动力学非常迅速，所以铂纳米颗粒被选为阳极活性组分。铂纳米颗粒对阴极的氧气还原反应(ORR)具有单组分最高的催化活性。所以铂纳米颗粒亦可作为阴极活性组分。碳黑具有高比表面积、高电子传导性，所以碳黑常被人们选为活性组分的载体。

现有技术中存在如下问题：第一，H₂是一种二次能源，H₂来源是燃料电池产业发展的首要问题，在工业上能够实现规模化、具有经济性、占据主导地位的制氢原料仍然是煤和天然气等化石燃料。当H₂来自化石燃料重整气时，H₂没有完全去除CO，由于CO在Pt表面具有强吸附作用，CO会优先占据Pt的活性位点并覆盖在Pt的表面，这会阻碍H₂在Pt上的吸附和随后的电化学氧化过程。测试经验表明，当H₂中含有10ppm的CO就会造成燃料电池放电性能的严重下降，由于质子交换膜燃料电池工作温度低 (70-80℃)，一般要求将H₂中的CO降低至2ppm。

第二，在质子交换膜燃料电池运行过程中，CCM阳极侧和CCM阴极侧的碳黑都会面临高电位腐蚀，引起活性组分Pt的脱落，造成两侧催化剂的逐渐失效。

第三，ORR的反应动力学非常缓慢，即使采用Pt作为活性组分，其 Pt载量仍然≥0.4mg/cm²。现阶段的“非铂催化剂”活性太低，并不适合商业化使用。而铂资源在世界上储量稀少，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能、抗CO中毒的CCM及其制备方法，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高性能、抗CO中毒的CCM，包括阳极催化剂PtRu/Ti₄O₇、阴极催化剂Pt₅Co₁/W-SnO₂和质子交换膜；