zhuanti ---PEMFC核心技术

燃料电池阳极催化剂发展现状与趋势

供稿人:卞志昕  供稿时间:2006-3-17   关键字:阳极  催化剂  燃料电池  质子交换膜  

迄今为止,PEMFC的阴极和阳极有效催化剂仍以铂为主。由于铂的价格昂贵,资源匮乏,造成PEMFC成本很高,大大限制了其广泛的应用。这样,降低贵金属催化剂用量,寻求廉价催化剂,提高电极催化剂性能成为电极催化剂研究的主要目标。

阳极催化剂的研究内容主要为具有抗CO中毒能力的催化剂。另外,对于直接使用甲醇或其他烃类燃料的电池系统,研究重点也主要是阳极催化剂体系。

目前,阳极催化剂包括Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-WO3、Pt-Mo等,最近许多研究人员开始采用三元及多元合金催化剂。多元催化剂的使用一方面可以降低贵金属Pt的含量,另一方面,多元催化剂的“协同效应”也将有效减少催化剂中毒现象。因此,最近相关专利较多述及了这种形式的催化剂配方及制造专利。

Symyx Technologies, Inc.于2002年获得授权的美国专利US6498121中揭示了采用Pt-Ru-Pd三元催化体系为燃料电池电极催化剂。其中Pt的原子百分比含量为20~60%,Ru的原子百分比含量为20~60%,Pd的原子百分比含量为5~45%,Pt/Ru 约为0.7~1.2。其制作方法为:将上述三种合金的氯化物溶液通过电化学沉积得到合成催化剂。2003年2月,其又申请了美国专利US6517965,该专利采用Pt-Ru-Ni三元催化体系作为燃料电池电极催化剂。其中Pt的原子百分比含量为40~70%,Ru的原子百分比含量为30~50%,Ni的原子百分比含量至少1%。合成方法同US6498121。

丹麦技术大学于2003年12月16日获得公告的美国专利US6663998中采用Mx/Pt/Sub形式的三元合金体系为燃料电池阳极催化剂。其中M可在Fe、Co、Ru或Ir中选择,或可从Fe、、Co、Ru、Ir、Ni、Pd、Cu、Ag、Au和Sn中任意选择两种,Sub为基体材料,从Ru,Os中选择。

此外,从近几年的专利研究内容看,催化剂成份已选择纳米级微粒。由于纳米催化剂本身具有表面与界面效应、量子尺寸效应、纳米粒子宏观量子隧道效应等,因而其在燃料电池中有着广泛的应用价值。如2004年公开的美国专利US20040087441就采用了含Pt的纳米金属微粒作为燃料电池催化剂。这种Pt基催化剂在溶液中合成,粒子为0.8~10nm,然后应用于基底(如碳黑、石墨和金属)之上。可采用无电沉积或喷涂方法进行。所得到的电极具有高表面区域。

此外,采用纳米技术还体现在采用碳纳米管作为燃料电池催化剂的一种主要成份。美国专利局于2005年3月10日公开了INTEMATIX CORP美国专利US20050053826,该专利揭示的技术是将纳米粒子涂于连续Pt或Pt合金薄膜上,作为燃料电池催化剂,其中纳米粒子可以是碳纳米管、纳米纤维、纳米粉、纳米球或量子点等。

综上所述,燃料电池阳极催化剂目前仍较多采用贵金属为主要成份,如Pt等,但随着技术的发展,已可看出今后燃料电池催化剂的几个发展趋势:

(1)采用多元催化剂,既降低成本,又增加抗CO中毒能力;

(2)采用纳米技术,以纳米微粒的尺寸效应、量子隧道效应等提高催化剂性能。

参考文献
1. 质子交换膜燃料电池催化剂的研究进展 重庆大学学报 2005,28(4),119-125
 
2. 聚合物电解质膜燃料电池用电催化剂的研究进展  材料导报  2005,19(6),45-47
 
3. PEMFC用Pt/CNTs电催化剂研究进展  电源技术  2004,28(10),652-655
 
4. US6498121
 
5. US6517965
 
6. US6663998
 
7. US20040087441
 
8. US20050053826

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