[发明专利]一种催化剂在燃料电池抗SO2中毒的应用及中毒恢复方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别地涉及适用于燃料电池的抗SO₂中毒催化剂及相应的恢复方法。

技术背景

质子交换膜燃料电池（PEMFC）通常使用贵金属Pt作为催化剂。在使用空气作为助燃剂时，空气中微量的SO₂（如1ppm）会吸附在电池中的催化剂表面，覆盖表面活性位点，同时影响催化氧还原（ORR）的反应过程，使电池性能大幅衰减。在使用洁净空气环境时，性能不能恢复或只能少量恢复。

解决燃料电池SO₂中毒的策略主要有对助燃剂进行外净化和内净化，外净化通常在电池外部增加一个吸附或吸附氧化装置，如中科院大连化物所申请的专利，但是外净化由于增加了一个部件，所以应用于系统时，系统的复杂性增加、且增加了空压机的功耗；内净化主要包括在燃料电池内部增加一个吸附部件或使用抗SO₂中毒的催化剂。内置吸附部件的缺点是吸附容量有限，吸附不完全，且更换吸附层的操作更加复杂。采用抗SO₂中毒催化剂，一方面是催化剂在催化氧还原过程中不受SO₂的干扰，如中科院大连化学物理研究所报道了“豆荚铁”具有该特性；二是在催化剂吸附了SO₂时，能够通过简单操作使SO₂从表面脱附。对于此种催化剂，目前国内尚无相应的文章或专利予以报道。

催化剂表面吸附SO₂后，通常的除去方法有高电位氧化、低电位还原，如石伟玉等人采用的方法；以及电势扫描循环（CV）等；这些方法都只对半电池或单电池比较有效，不适用于电堆。利用Pt基合金催化剂在氧化气氛下具备的自催化氧化表面吸附SO₂的特性，可以采用通入氧气吹扫的方法进行恢复，而该方法非常适宜在电堆上使用。已有的电池运行条件下加大通入气量或是开路条件下阳极通入氢气、阴极通入氧气的方法进行吹扫，并不能使催化剂表面吸附的SO₂完全氧化，其原因是阳极的氢气会透过质子交换膜渗透到阴极，其带来的还原性气氛阻碍了SO₂的氧化脱除；同时，只有特定的催化剂，才具有足够强的自催化氧化脱除SO₂的能力。

Pt-Ru合金催化剂由于Ru表面易吸附的氧或羟基，能够产生协同催化氧化SO₂的效应，从而使SO₂氧化变成SO₃，之后溶解于水中，随电池尾排流出电池。

在这里，我们提出一定原子比的Pt-Ru催化剂具有足够强的自催化氧化其表面吸附的SO₂的能力，在阳极通入氮气或空气或氧气，同时阴极通入空气或氧气等氧化性气体时，催化剂在SO₂中毒后，性能可以完全恢复。该类型催化剂以及该恢复方法，非常适宜于燃料电池堆。

发明内容

本发明针对现有燃料电池堆阴极Pt基催化剂易吸附SO₂而性能大幅降低的特点，提供一种适用于燃料电池堆的阴极抗SO₂中毒催化剂及中毒后的恢复方法。原子比Pt：Ru=1～5：0.5～5的Pt-Ru合金电催化剂在作为燃料电池堆的阴极催化剂使用时，能够自催化氧化其表面吸附的SO₂，具有较强的抗SO₂中毒性能。采用该成分Pt-Ru为燃料电池阴极催化剂时，在燃料电池SO₂中毒后，通过阳极通入空气或氮气，同时阴极通入空气或氧气吹扫0.01～10小时，催化剂的性能可完全恢复。

具体发明内容如下：

一种催化剂在燃料电池抗SO₂中毒的应用，催化剂作为燃料电池阴极催化剂。

催化剂的制备方法为：（1）胶体法，（2）浸渍法，（3）化学还原法。催化剂的其活性成分为Pt、Ru的合金或混合物，或Pt、Ru的氧化物的合金或混合物，或Pt、Ru、Ru的氧化物的合金或混合物；载体为具有一定比表面积的碳或氧化物；催化剂的颗粒大小为纳米级。

催化剂原子比Pt：Ru=1～5:0.5～5；

所述载体为孔隙率为1%～99%、比表面积为10～10000m^2/g的碳或其它氧化物；

颗粒大小为0.1～100nm。

催化剂作为燃料电池堆的阴极催化剂时，电池SO₂中毒后，通过阳极通入非还原性气体，同时阴极通入氧化性气体吹扫0.01～10小时，催化剂的性能可完全恢复；