[发明专利]一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明提出一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用，将金属钴和铁与多孔碳材料复合后，辅助造浆助剂造浆、纺丝，在多孔磁致伸缩面板上沉积形成在催化剂层，使用时在多孔磁致伸缩面板联通高频外磁场，在高频磁场作用下，多孔磁致伸缩面板不断发生微小的尺寸伸长和缩短，从而使催化剂不断拉伸和压缩，提高了催化剂活性。本发明提供上述方法克服了采用大多数过渡金属对氢和小分子的催化氧化活性低，采用贵金属催化剂造成催化成本的上升的缺陷，实现了催化性能基本与铂一致，大幅降低现有铂催化剂的成本，整个过程避免了高温煅烧高能耗的处理方式，无废气排放，满足节能环保要求，为提高非铂催化剂催化活性提供了新思路。

技术领域

本发明涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池非铂催化剂及制备方法和应用。

背景技术

由于对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC))是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)而发展起来的第五代燃料电池，采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。

PEMFC主要由端板、双极板和膜电极等部件构成。膜电极是 PEMFC 的核心部件，主要由气体扩散层、催化层和质子交换膜构成。其中，位于质子交换膜两侧的催化层主要进行反应物的传输、反应物在电化学活性位的界面反应、质子和电子传导以及反应产物的排出等重要过程，是 PEMFC 进行电化学反应的重要场所。催化层一般使用贵金属，主要使用在高的电位下稳定且活性高的铂，其阴极氧还原反应需要大量贵金属铂作为催化剂，但是，铂价格高，而且资源量有限，从而增加了相关部件的制造成本，限制了该技术的商业化。因此开发非铂催化剂对推动质子交换膜燃料电池的低成本应用意义重大。然而，质子交换膜燃料电池的运行温度一般不超过100℃，在此温度下，多数过渡金属对氢和有机小分子的催化氧化活性都很低，因此提升非铂催化剂的活性是关键。

中国发明专利申请号201010522823.2公开了一种M/N-C催化剂及其制备和应用，采用钴盐与聚吡咯 (PPy) 直接浸渍，使Co与PPy上的N作用形成催化中心后，直接高温热处理该样品使得PPy发生热分解形成碳骨架，该碳骨架直接作为新型催化剂的碳载体以增强催化剂的导电性。虽然聚吡咯碳化之后能提供给催化粒子Fe、Co、Ni更大的比表面积，但是上述方法制备过程繁琐、影响因素多，聚吡咯碳化过程需要高温处理，并且需要惰性气体保护防止催化粒子氧化，催化剂活性无法满足燃料电池实际应用要求。

中国发明专利申请号201210440582.6公开了一种质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂及其制备方法，包括三聚氰胺甲醛树脂的制备反应，然后加入金属盐，三聚氰胺甲醛树脂和金属盐之间发生络合反应，形成络合物，将溶剂蒸发后，经热处理分解，即生成具有空心球型结构的质子交换膜燃料电池阴极非铂催化剂。但三聚氰胺甲醛树脂导电性差，使催化剂的导电性降低，与上述方案类似，空心球型结构的制备也同样无法避免对有机物的高温热处理，随之产生的复杂成分有害气体的产生，不利于达到节能环保要求。

目前质子交换膜燃料电池非铂催化剂普遍通过选取活性元素替代Pt，通过制备比表面积大的结构负载非铂活性元素，从而提高非铂催化剂的活性，但是载体制备过程繁琐、影响因素多，催化剂的活性无法得到保证，此外需要800℃以上高温处理，无法达到节能环保要求。

发明内容