[发明专利]一种提升燃料电池寿命的方法

说明书

本发明涉及一种提升燃料电池寿命的方法，对作为燃料电池催化剂原料的载铂碳材料进行处理，处理方法包括：将负载有Pt的碳粉体放入多孔容器中，多孔容器置于反应室内，对反应室抽真空并置换氮气；通过流化或者旋转多孔容器的方法将碳粉体分散；采用原子层沉积法在碳粉体表面形成无机包覆层；采用分子层沉积法在碳粉体外侧无机包覆层的表面形成有机包覆层。本发明中，ALD法和MLD法能自动选择性包覆，有效地覆盖碳粉表面容易被氧化的缺陷处，但不包覆Pt表面，在防止催化剂腐蚀的同时不影响催化剂的催化性能，显著地提升燃料电池的寿命。有机包覆层在酸性和高温高湿的环境下能够较好地保护内侧的ALD无机包覆层和碳粉，进一步提高催化剂的防腐蚀能力。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种提升燃料电池寿命的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种将氢气和氧气中的化学能直接转化为电能的电化学能量转换装置，其能量转换效率高，对环境友好，几乎不排放氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等有害气体或者温室气体，被认为是未来首选的洁净且高效的发电技术之一。

目前PEMFC阴极氧还原催化剂主要为商业Pt/C催化剂。但是在燃料电池的实际运行过程中，高加湿、低PH值和高电势等极端环境会导致催化剂中的碳载体材料发生电化学腐蚀，从而进一步导致其负载的Pt纳米颗粒发生迁移、流失和团聚，更严重时有可能导致催化层结构发生坍塌。因此，能在苛刻的工作环境中保持较高稳定性的碳载体材料直接决定了燃料电池氧还原催化剂的寿命。

催化剂中的碳载体材料不仅为Pt颗粒提供了电子和氧气的传输通道，还能够对催化剂活性点产生明显的辅助作用。在催化反应过程中，碳载体的化学组成、电子排布、三维形貌、比表面积、孔隙率、微观结构、电导率以及石墨化程度等都会直接影响反应物与活性点的相互作用，从而对催化剂的整体催化活性产生极大的影响。因此，作为燃料电池催化剂的载体材料，碳载体必须要满足以下两个条件：(1)优良的导电性：催化剂上会发生电子转移以及一系列的电化学反应，需要有转移电子的通道和能力；(2)优良的物理和化学稳定性：在PEMFC实际工作环境中，碳载体极易发生电化学腐蚀而导致活性组分Pt的团聚和流失，所以要选择能在苛刻的工作环境保持稳定性的碳载体。

目前，Vulcan XC-72炭黑材料由于其较好的导电性和合适的孔结构，是最为常见的Pt基催化剂碳载体材料；但是Vulcan XC-72具有石墨化程度低、比表面积大、表面缺陷多等缺点。由于PEMFC内工作环境十分苛刻(强酸性、高电势、高湿度和高温度等)，催化剂载体容易腐蚀，使得Pt从载体表面脱落或者Pt与载体间作用力减弱，导致催化剂衰减。目前最常用的催化剂载体为Vulcan XC72碳黑，然而在热力学上，当电势高于0.207V(vs.NHE)时，碳黑会被电化学氧化，生成表面氧化物直至CO₂。在电池开路运行时，阴极电势高于0.9V；在电池启动/停车过程中，阴极局部界面电势甚至可能达到将近1.6V，这就使碳腐蚀反应加速。为了提高碳载体的抗腐蚀能力，专利CN108682874A是对其表面进行石墨化处理。目前，制备石墨化碳的方法主要是由高温处理无定形碳，从而将无定型碳经相变转换为三维石墨化结构而得到；通过这种方法制备的石墨化碳表面的碳原子之间都是SP2杂化，具有较高的导电性、较好的化学稳定性及耐腐蚀性；但是经过高温石墨化处理后的碳材料内部只有微弱的范德华力，同时活性炭表面的杂原子在高温煅烧的过程中被去除，因此得到的石墨化碳具有一定的化学惰性，从而导致Pt颗粒与碳载体的结合力很小，附着在上面的Pt颗粒容易发生迁移和团聚。

发明内容

本发明实施例涉及一种提升燃料电池寿命的方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种提升燃料电池寿命的方法，对作为燃料电池催化剂原料的载铂碳材料进行处理，处理方法包括：

S1，将负载有Pt的碳粉体放入多孔容器中，多孔容器置于反应室内，对反应室抽真空并置换氮气；通过流化或者旋转多孔容器的方法将碳粉体分散；

S2，采用原子层沉积法在碳粉体表面形成无机包覆层；