[发明专利]一种电催化剂在质子交换膜燃料电池阳极中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种具有高活性和优异抗CO性能的PdPt基质子交换膜燃料电池阳极催化剂的应用。

背景技术

燃料电池是一种能直接将化学能转化成电能的发电装置。由于其不受卡诺循环限制，燃料电池具有能量转换效率高的特点，同时燃料电池还具有无噪声、低排放甚至零排放等环境友好的特点，因此燃料电池的研究越来越引起人们的关注。特别是质子交换膜燃料电池，除了具有燃料电池普遍的优点外，它由于工作温度低、可快速启动、比功率密度大、重量和体积小的优点，成为便携式电源和动力电源的理想候选，近年来成为燃料电池的研究热点。

氢气是质子交换膜燃料电池(PEMFC)最理想的燃料，Pt/C催化剂是目前活性最好的氢氧化催化剂。然而氢气中微量甚至痕量的CO气就会对Pt/C催化剂产生毒化作用，使其氢氧化活性大大降低，而工业上的氢气主要来源于天然气、甲醇和其他液体燃料的重整，其不可避免的存在微量CO，因此，CO对催化剂的毒化作用是阻碍PEMFC商业化进程的一个重要因素。

CO使Pt中毒主要源于CO在Pt上的吸附自由能小于H₂在Pt上的吸附自由能，在有CO存在的氢气中，CO优先吸附在Pt的催化活性位上，阻止了H2在Pt活性位上的吸附从而大大降低了Pt的氢氧化活性。

近年来，人们报道了一些抗CO的Pt基合金催化剂，如：PtRu/C、PtAu/C、PtSn/C、PtNi/C、PtCo/C、PtW/C、PtMo/C等二元合金催化剂和PtRuNi/C、PtRuIr/C、PtRuW/C、PtRuMo/C、PtAuFe/C等三元合金催化剂。PtRu/C及其三元合金是目前比较理想的抗CO毒化的阳极催化剂，已经进行了商业化生产。

M.Gotz等人(文献1：Binary and ternary anode catalyst formulationsincluding the elements W，Sn and Mo for PEMFCs operated on methanol orreformate gas，Electrochimica Acta 43(1998)3637)考察了Pt与Ru、W、Sn、Mo等元素形成的二元或三元合金催化剂的抗CO性能，二元催化剂中PtRu/C具有最好的抗CO性能，PtRuW/C的抗CO性能优于PtRu/C。

Yongmin Liang等人(文献2：Preparation and characterization ofcarbon-supported PtRuIr catalyst with excellent CO-tolerant performance forproton-exchange membrane fuel cells，Journal of Catalysts 238(2006)468)采用微波辅助乙二醇法制备了PtRuIr/C，表现出了优于商业化PtRu/C催化剂。

尽管如此，PtRu基电催化剂的性能离燃料电池的商业化应用还存在着距离，还有一些研究者制备了含有Fe、Ni的抗CO催化剂，其抗CO性能非常好。

张华民等人(文献3：“一种高活性PtNi基质子交换膜燃料电池阳极催化剂”，CN1832233A)报道了PtNi基抗CO阳极催化剂，其中PtRuNi/C催化剂的抗CO性能优于商业化PtRu/C催化剂。

Li Ma等人(文献4：A novel carbon supported PtAuFe as CO-tolerant anodecatalystfor proton exchange membrane fuel cells，Catalysis Communications 8(2007)921)报道了PtAuFe/C抗CO阳极催化剂，当金属质量比为Pt∶Au∶Fe＝20∶0.5∶2.5时，催化剂表现出优异的抗CO性能。

但是由于加入了Fe、Ni等活泼元素，在燃料电池环境下，这些活性组分非常容易流失，造成抗CO性能的下降，甚至流失的离子可能造成整个电池的失效。因此，在Fe、Ni基催化剂中，其稳定性无法满足商业化应用。