[发明专利]阳极催化剂、膜电极及燃料电池

说明书

本申请提供一种阳极催化剂、膜电极及燃料电池，属于燃料电池技术领域。阳极催化剂包括载体和负载于载体上的活性成分IrRu合金；其中，Ir和Ru的质量比为3:1～1:1.05。将Ir和Ru的质量比限定在上述范围之内，可以使催化剂具有多个功能，不仅具有HOR活性，还可以抗CO中毒，同时，其还具有OER活性，并可以减少H₂O₂的产生。

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种阳极催化剂、膜电极及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是一种清洁高效的发电装置，最终产物为水和电，在楼宇供电，备用电源，汽车，船舶，轨道交通，固定基站，航空等领域有广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池内部的核心组件称为膜电极(MEA，Membrane Electrode Assemblies)，是燃料电池发电的最小组成单元。然而在一些恶劣工况下，膜电极会发生灾难性的破坏，最终导致燃料电池的失效。燃料电池步入商业化，必须保证其寿命，降低及避免膜电极在恶劣工况下的性能损失。

膜电极的阳极侧在实际运行过程中会出现一些恶劣的工况，具体如下：

(1)、目前燃料电池阳极侧的氢气主要来源于化工副产氢，副产氢中含有少量ppm的CO，由于CO在较低电位(+0.2V)下Pt表面的吸附显著强于H₂，会造成阳极Pt表面很难吸附H₂，即CO会造成阳极Pt催化剂中毒无法催化氢进行氧化反应，使得膜电极性能显著降低。

为了减少CO的毒化作用，通常在Pt主催化剂中引入第二组份(Ru，Mo，Sn等)来吸附水，第二组份位点的吸附水通过“溢流”(Spill-over)作用与邻近Pt位点强吸附的CO反应，来促进氧化Pt位点强吸附的CO，使得邻近Pt位点得以重新释放，从而部分恢复阳极侧Pt的氢氧化反应(HOR)催化活性。

(2)、反极(Cell reversal)是膜电极运行过程中所遭遇十分恶劣的工况。具体指由于电堆运行过程中单片或者多片膜电极由于阳极堵水或者凝结有冰块时，阳极的氢气传输受阻，无法到达催化剂Pt表面产生质子，会造成阳极H₂供应不足。为了维持反极前的电流(质子流)，阳极的电位由反极前的0V(相对于标准氢电极，SHE)短时间内攀升至高于1.5V，此时膜电极的电压通常低于-1V；在阳极高电位下，碳组分与水反应，碳发生腐蚀产生质子维持电流。碳不断腐蚀，会造成阳极电位急剧升高从而引发膜电极失效。

对于燃料电池系统层面，预防反极主要通过电压巡检传感器来实施。但是这并不能从本质上减少反极引起的性能损失。电压巡检的原理是检测膜电极的电位，如果膜电极电压由正变负，意味着发生反极，及时切断电路。但是当检测到电压变负的情况时，反极已经发生一段时间，性能损失仍不能避免。

反极时，碳发生腐蚀是为了维持质子流(C+2H₂O＝4H⁺+CO₂+4e^-)，只要有其他途径可以替代性维持质子流，碳腐蚀就会被抑制。水电解(OER，2H₂O＝4H⁺+O₂+4e^-)这一途径恰好可以提供质子流，但是水电解通常要求的电压高于2V，高于碳腐蚀的电位；为了降低水电解的电位，有必要引入水电解催化剂以实现在相对较低电位下由水电解途径维持质子流，从而避免碳腐蚀，这便是抗反极的原理。