[发明专利]一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述燃料电池用碳载体包括表面具有含氧官能团的碳材料和分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物。本发明所述燃料电池用碳材料内部孔道采用固化高聚物填充，可以防止在合成燃料电池催化剂过程中贵金属粒子进入碳材料内部孔道，缩短反应气体接触贵金属粒子的路径，减小反应气体的传输阻力，并且提高了碳载体的抗腐蚀性；而且本发明在碳材料表面引入含氧官能团，可以减少碳的憎水性，除此之外，含氧官能团还可以作为贵金属粒子的成核中心。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用。

背景技术

燃料电池车被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，燃料电池应该在关键材料、关键零部件等方面不断突破关键技术。燃料电池催化剂根据组成不同分为低铂催化剂、铂合金催化剂和非铂催化剂，因为铂的价格昂贵和稀有性，提高铂的利用率和减少铂的用量是降低燃料电池成本的重要研究方向之一。

随着纳米技术应用到催化剂领域，理论研究发现，贵金属粒子尺寸越小，其比表面积越大，参与催化反应的活性位点越多；但大量案例表明，随着贵金属粒子尺寸进一步降低，整个催化剂的活性反而大幅度下降；进一步研究发现，贵金属粒子尺寸太小会进入催化剂碳载体内部孔道，孔道内部的贵金属粒子不能与质子导体、电子导体及反应气体接触，因此难以形成有效的三相反应界面，从而降低铂的利用率。一般而言，参与反应的铂的比表面积越大，催化剂的活性越高，并且贵金属粒子分布在碳载体孔道内部，反应气体到达贵金属粒子的输送路径变长，气体的输送阻力增大；催化反应生成的水从碳载体内部不易排出，反应气体到达碳载体内部的贵金属粒子的输送阻力进一步增大。

CN101664698B公开了一种非担载型燃料电池催化剂浆料及其制备方法，其催化剂的金属纳米颗粒由导质子聚合物修饰。但是，所述方法贵金属将以碳载体和聚合物为晶核生长晶体，被还原的贵金属未完全生在在碳载体上，聚合物的电子传导能力低于碳载体，导致催化剂的电催化能力降低。

CN101722049B公开了一种经质子导体修饰并以导电聚合物为载体的催化剂及制备方法。其制备方法为：先将导质子聚合物溶液加入醇水混合液中，再加入催化剂中的金属前驱体盐溶液，制导质子聚合物修饰的金属纳米胶体；将导电聚合物单体加到所制得的胶体中，加入质子酸溶液至PH3，加导电聚合物单体的聚合引发剂使单体聚合，之后加入碳系材料，混合、过滤、干燥制得催化剂。但是其所采用的碳载体制备得到的催化剂电催化能力较差，而且反应气体的传输阻力较大。

因此，本领域需要开发出一种新型燃料电池催化剂用碳载体，其具有优异的催化活性，且制备过程简单，可工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池用碳载体、其制备方法和在燃料电池中的应用。所述燃料电池用碳载体具有较高的抗腐蚀性，而且可以减少碳的憎水性；使用该碳载体制备的催化剂，减少了碳载体孔道内部的贵金属粒子不能与质子导体、电子导体及反应气体接触的可能性，提高了贵金属的利用率；而且可防止反应气体传输阻力增加。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种燃料电池用碳载体，所述燃料电池用碳载体包括表面具有含氧官能团的碳材料和分布于所述碳材料内部孔道的固化高聚物。

本发明所述燃料电池用碳材料内部孔道采用固化高聚物填充，可以防止在合成燃料电池催化剂过程中贵金属粒子进入碳材料内部孔道，缩短反应气体接触贵金属粒子的路径，减小反应气体的传输阻力，并且提高了碳载体的抗腐蚀性；而且本发明在碳材料表面引入含氧官能团，可以减少碳的憎水性，除此之外，含氧官能团还可以作为贵金属粒子的成核中心。

图1是本发明提供的燃料电池用碳载体的结构示意图，图中1为固化高聚物，2为碳材料，由图中可以看出，固化高聚物分布在碳材料的内部孔道中。