[发明专利]一种提高燃料电池催化剂抗SO2中毒性能的助剂及添加方法

说明书

技术领域

本发明涉及低温燃料电池领域，具体的说是一种提高燃料电池催化剂抗SO₂中毒性能的助剂及添加方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭，以及环境污染和气候变化的日益严峻，清洁能源已经引起了世界各国的高度重视。质子交换膜燃料电池具有清洁、高效、功率密度高以及低温快速启动等优点，在车载电源和分布式发电等领域有着广泛的应用。但是，质子交换膜燃料电池的大规模应用面临着环境杂质适应性的问题，尤其是空气中的SO₂会对电池性能产生严重的同时不可逆恢复的影响。

空气中的SO₂对燃料电池性能的影响，主要体现在其对催化剂性能的影响上。SO₂很容易在燃料电池的催化剂金属纳米颗粒Pt上产生特性吸附，占据Pt表面的活性位，这一方面阻碍了O₂在Pt表面的氧还原过程，另一方面SO₂在Pt表面的化学吸附，改变了Pt的表面电荷分布，从而部分改变氧还原的路径，使氧还原由4电子过程转变为2电子过程，从而产生大量的H₂O₂，使燃料电池的膜的性能迅速衰减。

当前解决燃料电池易受空气中SO₂影响的策略，主要是外净化和内净化。外净化包括外加一个SO₂吸附装置，使空气中的SO₂在进入电池前先被吸附掉。外净化存在以下不足：一是增加了系统的复杂性和成本，二是外净化往往净化容量有限或者是净化不够完全，这导致需要频繁更换外净化装置，从而使得使用燃料电池变得更麻烦。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。在内部增加一个吸附部件，其缺点同外净化一样，吸附容量有限，吸附不完全，且更换吸附层的操作更加复杂。所以，采用抗SO₂中毒的催化剂作为能净化的方法，具有不增加系统的复杂性、操作方便、简单环保等的优点，是人们追求的目标。

然而，当前国内外没有文献报道过抗SO₂中毒的催化剂，这一方面是因为环境杂质适应性，特别是空气环境中SO₂杂质气体适应性问题是近年来才提出的，是一个崭新的课题；另一方面，由于SO₂在绝大多数的金属，特别是金属纳米颗粒表面特别容易产生特性吸附，需要通过金属纳米颗粒的表面改性来避免这种特性吸附，这在基础理论研究及实际应用中还比较缺乏。Garsany等人（Journal of The Electrochemical Society,2007,154(7),B670-B675）研究了SO₂在Pt/C和Pt₃Co/C表面的吸附情况,认为Pt₃Co比Pt更容易受SO₂的影响，但是Pt₃Co更容易通过高电位氧化而使吸附的SO₂脱附。傅杰等人（一种在质子交换膜燃料电池内部净化阴极反应气的方法，中国专利申请号：200810229122.2）用高导电石油焦质活性碳取代燃料电池阴极微孔层中的Vulcan XC-72炭黑，利用活性碳的高比表面积和丰富的活性位，对进入电池的杂质气体分子如SO₂等进行吸附，使催化层实际接触的SO₂浓度低于1ppm，一定程度上实现了对燃料电池催化剂的保护，增加了电池的抗SO₂中毒性能。

采用RuO₂助剂提高燃料电池催化剂的抗SO2中毒性能，避免了普通内净化方法吸附容量有限、吸附层难以再生的问题，同时避免外净化方法所需的额外部件以及增加系统负担的问题,并具有原料来源广泛，操作简单，节能环保等优点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种提高燃料电池催化剂抗SO₂中毒性能的助剂及添加方法。助剂的成分为RuO₂，其粒径大小在1～50nm，将RuO₂添加到燃料电池催化剂中，RuO₂与燃料电池催化剂的质量比为1:10～10:1。RuO₂通过物理方法添加到燃料电池催化剂中，具体包括以下步骤：