[发明专利]质子交换膜燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型质子交换膜燃料电池（PEMFC），所述电池中的阳极是非贵金属负载的介孔结构的复合物材料，阴极是非碳载体的介孔结构的复合物材料。

技术背景

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以氢气或含氢气体为燃料，以氧气或空气为氧化剂的发电装置，具有工作温度低（<100℃）、启动快、能量利用率高等优点，适合于家庭电源、电动汽车、分置电站和便携式电子产品等方面的应用。作为电池关键材料之一的电极催化剂材料是关系到PEMFC能否推广应用的最为重要的材料。

目前国内外所报道的PEMFC阳极催化剂材料，基本都是以铂系金属（如Pt、Au，Ph，Pd、Ru等）为主的贵金属催化剂，该类贵金属催化剂对氢的电化学氧化具有高的催化活性。然而，贵金属Pt催化剂在含有CO的重整氢气为燃料时，极易吸附CO分子，发生Pt催化剂的CO“中毒”现象，从而导致Pt催化剂的失活。为了避免Pt催化剂的CO“中毒”现象，PtRu二元、PtRuW或PtRuMo三元合金催化剂又被研制出来，其中PtRu二元合金催化剂是最为有效的抗CO阳极催化剂。然而，PtRu都是贵金属，价格昂贵，大大阻碍了PEMFC大规模的商业化应用。开发高活性的新型非贵金属抗CO阳极催化剂，在保持高催化效率的同时，具有良好的抗CO中毒性能，一直是PEMFC应用中的工作重点之一。

对于PEMFC的阴极，常用的催化剂是活性碳负载的Pt催化剂（Pt/C）材料，然而，活性碳载体材料在PEMFC阴极应用中的一个不足之处就是，其长期处于阴极氧化气氛中使用时易发生碳的氧化、腐蚀，从电极扩散层中剥落下来，失去导电集流的作用，影响电池电流的输出，从而导致电池性能的降低。研发出一种具有抗氧化和抗酸腐蚀的阴极催化剂载体材料已成为PEMFC阴极催化剂的研究重点之一。

介孔材料具有高的比表面积、规则的孔道结构和可控孔径尺寸，是催化领域中理想的催化剂材料。氧化钨具有特殊的电化学性能，介孔结构的WO₃，其电化学活性可以进一步提高。我们课题组以模板法合成的介孔WO₃材料表现出高的电化学催化性能（J.Mater.Chem.,2008,18,575–3580）。碳化钨是一种抗氧化性和抗酸腐蚀性强的碳化物材料，并且具有良好的导电性。本发明中，我们提出了一种用于PEMFC的阳极非贵金属负载同时阴极非碳载体的介孔结构的电极催化剂材料，该类催化剂材料中阳极为介孔WO₃/C复合物材料，阴极为介孔Pt/WC复合物材料，阳极不使用贵金属，阴极不使用活性碳载体，不仅可以大大降低电池的成本，也可以避免阳极的CO中毒现象，同时，也避免了阴极活性碳的易氧化、腐蚀问题。这在国内外还未见有相关报道。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池，所述电池包括作为阳极的非贵金属负载的介孔WO₃/C复合材料、质子交换膜和作为阴极的非碳载体的介孔Pt/WC复合材料。

其中，所述介孔WO₃/C复合材料和介孔Pt/WC复合材料优选具有晶化孔壁的介孔复合物材料。

在本发明一个实施方式中，所述非贵金属负载的介孔WO₃/C复合材料的比表面积为80～130m²/g。所述非碳载体的介孔Pt/WC复合材料的比表面积为100～140m²/g。

在本发明中，所述阳极以氢气或含氢气体为燃料，所述阴极以氧气或空气为氧化剂。所述电池应用于电化学催化反应领域。

另一方面，本发明还提供一种非贵金属负载的介孔WO₃/C阳极复合材料。其中，所述非贵金属负载的介孔WO₃/C阳极复合材料比表面积为80～130m²/g。

又一方面，本发明提供一种非碳载体的介孔Pt/WC阴极复合材料。其中，所述非碳载体的介孔Pt/WC阴极复合材料的比表面积为100～140m²/g。

具体的说，本发明的目的是提供一种阳极非贵金属负载同时阴极非碳载体的PEMFC电极催化剂材料。该类催化剂材料中的阳极为具有特殊电化学性能的介孔WO₃/C复合材料，阴极为具有强抗氧化和抗酸腐蚀的介孔WC负载的Pt催化剂材料。在本发明的质子交换膜燃料电池中，阳极不使用贵金属，不仅降低了电池的成本，也可以避免阳极的CO中毒；同时，阴极非碳载体的应用可以避免载体材料的氧化、腐蚀问题。