[发明专利]质子交换膜燃料电池用催化剂、其制备方法及质子交换膜燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池催化剂、其制备方法及质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）具有能量密度高、响应时间快、结构简单、操作方便、无污染和低噪音等优点，可作为汽车和便携式移动设备电源。目前，全球已有英国伦敦、加拿大温哥华、德国斯图加特等不少国家和城市推出了燃料电池驱动的公共汽车线路，许多国家展示了试运行的燃料电池车。中国在北京奥运会和上海世博会期间也成功推出了燃料电池驱动的大巴车和小汽车，现已有超过1000辆车在全国10多个城市试运行。随着燃料电池配套设施加氢站的快速建设，将会有更多的燃料电池车投入运行。据英国FuelCellToday和美国Fuel Cells行业统计，2012年燃料电池装机容量较2011年取得了成倍的增长。目前，PEMFCs在其商业化进程中还面临一个巨大挑战，那就是成本过高，原因是组成燃料电池的关键材料催化剂和质子交换膜价格昂贵。

燃料电池用电催化剂通常为铂或铂基合金，为降低燃料电池催化剂成本，目前主要有三种解决途径：一是希望使用非铂金属取代现有的铂基催化剂，但现有的非铂金属催化剂在燃料电池运行环境下的活性与稳定性亟待提高；二是设计全新的膜电极结构，比如在阴极使用可以再生的液体催化剂，从而使铂催化剂的用量降低，最近英国ACAL Energy公司于2013年2月26日宣称，采用这种液态阴极催化剂组成的电池已成功运行8000小时且无任何衰减；三是努力提高铂基催化剂的利用率。现有催化层中铂的利用率一般在30%左右。如果能够将电极催化层结构优化，使催化剂活性位能被更有效地利用，并保障反应顺利进行的物料传输、电子转移和质子迁移的三相界面能够很好维持，那么在相同的催化剂用量下，电池的功率密度将会得到显著提高，从而降低催化剂成本。

为使电化学反应顺利进行，高效膜电极必须具备反应物、产物以及质子、电子的连续通道。现有的电极制作方法通常是在催化剂浆液中加入Nafion溶液和造孔剂构造物料、电子和质子传输的通道。催化层中Nafion颗粒的存在能为质子传输提供通道但不可避免地覆盖部分催化剂活性位，造孔剂通常也会将杂质引入电极。目前膜电极的制备工艺根据制备对象不同分为GDL法和CCM法，两者都涉及一个热压过程。由于XC72R粒径小且属软碳，热压过程势必造成催化层中孔隙率减小，这将减弱催化层中物料传输能力和降低催化剂的利用率。由此可以看出，碳材料的物理化学性质和形貌对催化剂的活性、稳定性以及反应三相界面的维持极为关键。

鉴于上述原因，诸如碳纳米纤维、单壁碳纳米管(SWNTs)、多壁碳纳米管(MWNTs)、碳纳米卷、碳纳米角、炭气凝胶、碳纳米洋葱、中间相碳微球、碳纳米环等各种各样的新型炭材料被尝试作为催化剂载体，并都表现出不俗的电化学性能，认为是这些材料具有特殊的形貌和良好的电子导电能力。由于新型炭材料的制备大都还处于实验室阶段，因此产量小且价格与商品炭相比昂贵，还有部分新型炭材料的比表面积偏低，存在金属粒子不易在其表面均匀分散等问题，必须改进催化剂制备方法以提高其性能。