[发明专利]一种提升燃料电池催化剂及膜电极耐久性的方法

说明书

本发明公开了一种提升燃料电池催化剂及膜电极耐久性的方法。该方法采用含有多重组分混合物对铂基催化剂进行处理，或者将部分组分直接添加到催化剂层中，从而制备得到高耐久性燃料电池催化剂或膜电极；所述含有多重组分混合物包括稳定纳米粒子的氧化物组分、调变催化剂表面性能的调变剂组分、活性自由基淬灭剂组分及抑制碳载体腐蚀的抑制剂组分中的一种以上；所述部分组分包括自由基淬灭剂组分或催化剂表面调变组分中的一种以上。本发明对于解决燃料电池稳定性/耐久性不足的问题，对于促进燃料电池汽车产业的发展具有十分重要的作用。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，涉及一种提升燃料电池催化剂及膜电极耐久性的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种无需经过燃料燃烧过程，可以直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、零排放、低噪音和能在低温下快速启动等优点，被誉为是21世纪最为重要的新能源技术，在军事、交通(汽车等)、通讯等方面具有广阔的应用前景。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的最为关键的部件，它的性能和耐久性的好坏直接决定着燃料电池的性能和寿命。膜电极主要由聚合物电解质膜(质子交换膜)、阴阳极催化层、气体扩散层三部分组成。目前质子交换膜燃料电池大规模商业化存在的最大问题之一是其耐久性不足，一般认为：膜电极中催化剂及质子交换膜的衰减和老化，是导致质子交换膜燃料电池性能下降甚至失效的主要原因。因此，提升膜电极的耐久性已成为燃料电池领域最为重要的研究课题。

目前使用的燃料电池催化剂通常是将Pt等活性组分的纳米粒子负载在碳载体上制备而成，研究发现：在燃料电池的运行条件下，特别是在燃料电池汽车的运行条件下，Pt催化剂极易发生失活老化，从而引起膜电极及燃料电池性能的衰减。主要老化原因包括：(1)Pt纳米粒子在催化剂载体表面发生迁移、团聚，使得催化剂的有效活性比表面积降低；(2)由于表面能的差异，铂从小颗粒上发生溶解并沉积到更大的纳米颗粒上，并且溶解的铂会与从阳极侧透过的H₂反应后沉积在膜中(奥士特瓦尔德熟化)；(3)由于催化剂载体腐蚀使得Pt颗粒脱落。这些老化现象也会导致Pt纳米颗粒的长大，从而引起催化剂电化学活性比表面积(ECSA)减少和燃料电池稳定性及耐久性的降低。另外，氧气在阴极催化剂上还原时，不可避免地会产生少量过氧化氢分子，过氧化氢分子分解生成的羟基自由基会对离子导体聚合物(包括质子交换膜和用作催化剂粘合的离子聚合物)进行攻击，使其中的磺酸根发生脱落，造成催化层质子传导能力下降，甚至经由催化层进入到质子交换膜,对质子交换膜的骨架结构进行破坏，也会引起膜电极及燃料电池的稳定性/耐久性降低。

因此，提高铂基催化剂的稳定性，有效抑制铂纳米颗粒的迁移、团聚、溶解再沉积长大，有效抑制碳载体腐蚀，有效清除活性自由基，减少活性自由基对质子交换膜的氧化攻击，对于提升燃料电池的寿命具有十分重要的意义。

中国专利申请201010102464.5公开了“一种燃料电池复合催化剂、高耐久性膜电极及制备方法”，该专利中通过在催化剂中添加了具有高比表面积、高吸附特性的多孔材料，通过多孔材料吸附迁移的催化剂离子或颗粒，减缓因催化剂流失造成的催化活性下降。该方法虽然能一定程度减缓Pt金属的流失，但却不能改善铂颗粒的迁移团聚以及碳腐蚀引起的老化。

中国专利申请201510919461.3公开了“一种燃料电池催化层结构及其制备”，该专利中通过在催化层制备浆料中掺杂具有自由基淬灭功能的添加剂，从而达到提高燃料电池稳定性的目的。而添加自由基淬灭剂并不能抑制Pt纳米粒子的迁移及团聚，也不能解决碳载体的氧化腐蚀问题。

发明内容