[发明专利]一种燃料电池用金属基负载碳纤维催化剂载体及制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池用金属基负载碳纤维催化剂载体及制备方法，将活性碳纤维浸泡在铜源、钯源溶液中，超声震荡24h后烘干，之后在还原性气氛下保温3‑4h，保温温度100‑120℃，制备得到铜/钯复合负载的金属基活性碳纤维。本发明制备的金属基碳纤维作为催化剂载体，可以将空气中的微量一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫等对催化剂影响较大的气体进行选择性吸附，提高Pt催化剂的活性，对CO、NO等气体吸附能力强，可以降低Pt催化剂中毒的危险，有效解决传统催化剂载体大多使用活性炭，吸附性能有限且难以有效解决CO的吸附问题，此外，催化剂载体具有重量轻，易成型，韧性好的特点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用金属基负载碳纤维催化剂载体及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC) 采用固态电解质高分子膜作为电解质，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，具有体积小、启动快、能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，且对环境污染小，几乎不排放氮氧化物或硫氧化物，CO₂排放量也比常规发电厂少40%以上，被公认为最有希望成为航天、军事、电动汽车和区域性电站的首选电源。

PEMFC通常以全氟磺酸型质子交换膜为电解质，Pt/C或Pt-Ru /C为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气和纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板。PEMFC工作时，以H₂/O₂燃料电池为例：燃料气和氧化剂气体通过双极板上的导气通道分别到达电池的阳极和阴极，反应气体通过电极上的扩散层到达电极催化层的反应活性中心，氢气在阳极的催化剂作用下解离为氢离子(质子)和带负电的电子，允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。阴极的氧分子在催化剂作用下与电子反应变成氧离子，使得阴极变成带正电的端子(正极)，在阳极的负电终端和阴极的正电终端之间产生了一个电压。如果此时通过外部电路将两端相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电流。同时，氢离子和氧与电子反应生成水。

质子交换膜燃料电池由于使用空气作为氧气来源，Pt/C催化层易吸附空气中的微量CO、NO、SO₂等导致催化剂中毒，严重影响其催化效率及使用寿命，传统催化剂载体大多使用活性炭，然而活性炭表面存在较多含氧基团，贵金属离子与含氧基团之间的相互作用会影响金属表面电子状态，使得吸附性能有限且难以有效解决CO的吸附问题。因此，寻找能够提高贵金属催化剂性能的载体具有重要意义。

中国发明专利申请号200810196355.7 公开了一种质子交换膜燃料电池催化剂的氮化钛载体或氮化钛和炭载体混合载体，炭载体为活性碳、碳纳米管、碳分子筛或碳纤维中的一种或多种，氮化钛或氮化钛和炭载体混合的悬浊液中加入贵金属化合物还原干燥得氮化钛或氮化钛和炭复合载体负载的催化剂，该发明载体的催化剂对甲醇、甲酸、H₂和CO混合气体的电催化还原呈现很高的催化性能。

中国发明专利申请号200780044445.8公开了燃料电池电极用的纳米线负载催化剂，金属氧化物纳米线和碳涂布的金属纳米线有效作为昂贵的催化剂材料，如铂金属族催化剂的粒子的载体。这类负载型催化剂当包含在例如氢/氧燃料电池中的质子交换膜上的电极中时是有用。

中国发明专利申请号201310691142.2提供了一种适用于燃料电池的阴极抗SO₂中毒催化剂及中毒恢复方法。抗中毒催化剂原子比Pt：Ru=1～5:0.5～5的Pt-Ru合金电催化剂，能够自催化氧化其表面吸附的SO₂，具有较强的抗SO₂中毒性能。但是，该催化剂对CO和NO气体作用不明显，因此对燃料电池寿命提高效果有限。