一种氢燃料电源车及其车载氢燃料电池

1.一种车载氢燃料电池，包括电催化剂，其特征在于，所述电催化剂包括载体和活性物
质；
所述活性物质包括铂纤维，铂微球和铂片；
所述铂纤维为纤维状铂金属，所述纤维状铂金属长径比为10：1‑20：1，所述长径比为铂
纤维的长度和直径比；
所述铂微球为球形或类球形铂金属；
所述铂片为片状铂金属；
所述铂纤维，铂微球和铂片的质量比为1‑3：2‑5：3‑6。
2.根据权利要求1所述的一种车载氢燃料电池，其特征在于，所述铂纤维的长度分布范
围为10‑300μm。
3.根据权利要求1所述的一种车载氢燃料电池，其特征在于，所述铂微球为空心铂微
球，所述空心铂微球的粒径分布范围为0.3‑100μm。
4.根据权利要求1所述的一种车载氢燃料电池，其特征在于，所述铂片的长径比为5：1‑
10：1；所述长径比为铂片的最长径和与其垂直的最长径之比。
5.根据权利要求1‑4任一项所述的一种车载氢燃料电池，其特征在于，所述载体包括氧
化石墨烯和聚苯胺；所述聚苯胺将所述活性物质固定于所述氧化石墨烯表面。
6.根据权利要求1‑4任一项所述的一种车载氢燃料电池，其特征在于，所述铂纤维、铂
微球和铂片表面吸附有纳米过渡金属氧化物；所述纳米过渡金属氧化物为氧化锰、氧化镍、
氧化钴、氧化铁、氧化铜中的任意一种。
7.根据权利要求5所述的一种车载氢燃料电池，其特征在于，所述氧化石墨烯是由氧化
石墨烯分散液经喷雾造粒得到。
8.一种氢燃料电源车，其特征在于，包括如权利要求1‑7任一项所述的车载氢燃料电
池。

一种氢燃料电源车及其车载氢燃料电池\n技术领域\n[0001] 本发明属于新能源技术领域。更具体地，涉及一种氢燃料电源车及其车载氢燃料\n电池。\n背景技术\n[0002] 在氢燃料电池的电堆中，电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂\n控制。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素，被视为氢燃料电池的关键材料，决定\n着氢燃料电池汽车的整车性能和使用经济性。\n[0003] 催化剂选用需要考虑工作条件下的耐高温和抗腐蚀问题，常用的是担载型催化剂\nPt/C(Pt纳米颗粒分散到碳粉载体上)，但是Pt/C随着使用时间的延长存在Pt颗粒溶解、迁\n移、团聚现象，活性比表面积降低，难以满足碳载体的负载强度要求。Pt是贵金属，从商业化\n的角度看不宜继续作为常用催化剂成分，为了提高性能、减少用量，一般采取小粒径的Pt纳\n米化分散制备技术。然而，纳米Pt颗粒表面自由能高，碳载体与Pt纳米粒子之间是弱的物理\n相互作用；小粒径Pt颗粒会摆脱载体的束缚，迁移到较大的颗粒上被兼并而消失，大颗粒得\n以生存并继续增长；小粒径Pt颗粒更易发生氧化反应，以铂离子的形式扩散到大粒径铂颗\n粒表面而沉积，进而导致团聚。为此，人们研制出了Pt与过渡金属合金催化剂、Pt核壳催化\n剂、Pt单原子层催化剂，这些催化剂最显著的变化是利用了Pt纳米颗粒在几何空间分布上\n的调整来减少Pt用量、提高Pt利用率，提高了质量比活性、面积比活性，增强了抗Pt溶解能\n力。通过碳载体掺杂氮、氧、硼等杂质原子，增强Pt颗粒与多种过渡金属(如Co、Ni、Mn、Fe、Cu\n等)的表面附着力，在提升耐久性的同时也利于增强含Pt催化剂的抗迁移及团聚能力。\n发明内容\n[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有电极催化剂为了提高性能，减少用量时，采\n用小粒径的Pt纳米化，容易引起颗粒团聚的缺陷和不足，提供一种氢燃料电源车及其车载\n氢燃料电池。\n[0005] 本发明的目的是提供一种车载氢燃料电池。\n[0006] 本发明另一目的是提供一种氢燃料电源车。\n[0007] 本发明上述目的通过以下技术方案实现：\n[0008] 一种车载氢燃料电池，包括电催化剂，所述电催化剂包括载体和活性物质；\n[0009] 所述活性物质包括铂纤维，铂微球和铂片；\n[0010] 所述铂纤维为纤维状铂金属，所述纤维状铂金属长径比为10：1‑20：1，所述长径比\n为铂纤维的长度和直径比；\n[0011] 所述铂微球为球形或类球形铂金属；\n[0012] 所述铂片为片状铂金属；\n[0013] 所述铂纤维，铂微球和铂片的质量比为1‑3：2‑5：3‑6。\n[0014] 发明人在实际研发过程中，原有的大尺寸的铂金属颗粒作为催化剂使用时，不仅\n成本高，而且填充量和实际发挥催化效用的催化剂数量不一致，存在大部分“闲置”的催化\n剂，而为了进一步提升能量密度，减少催化剂的闲置，尝试采用纳米尺度的铂金属颗粒负载\n于碳载体表面，实际使用时发现，在产品制备和使用过程中，金属颗粒极易发生团聚，并且\n金属颗粒和碳载体之间的界面结合能力非常弱，很容易脱离碳载体，导致电池性能下降；\n[0015] 发明人发现，采用上述技术方案，通过利用不同形貌的铂金属，具体地，包括纤维\n状的铂纤维，片状的铂片以及球形或类球形的铂微球，有效解决了上述尺寸矛盾；对于大尺\n寸铂金属颗粒填充时，由于不同形貌的铂催化剂可以获得更加优异的堆积密度，即不同形\n貌颗粒之间可以实现相互填充，由此，减少的用量，可以发挥相对更优的效果；对于小尺寸\n铂金属颗粒填充时，由于采用不同形貌的颗粒，颗粒的表面能不一致，降低了团聚的概率，\n采用小尺寸比如接近纳米级的颗粒进行填充时，此时不同形貌之间的空间位阻会起到良好\n的阻隔效果，减少团聚现象的产生，如此，可以灵活的基于客户需求，在不丧失性能的前提\n下，对催化剂大小做调整；\n[0016] 另外，发明人还发现，对于单一形貌的金属颗粒而言，其在碳载体表面沉积后，很\n容易脱落，金属颗粒和碳载体之间，以及金属颗粒团聚体之间结合力非常微弱；而通过采用\n不同形貌的铂金属颗粒，纤维状可以起到串接作用，将部分团聚体和碳基体缠结，片状可以\n起到止挡效果，球形或类球形更多的是起到间隙填充效果，如此，三种形貌配合，可以使得\n沉积在碳载体表面及孔隙中的催化剂活性物质存在物理结合，减少活性物质和碳基体的脱\n离。\n[0017] 进一步地，所述铂纤维的长度分布范围为10‑300μm。\n[0018] 进一步地，所述铂微球为空心铂微球，所述空心铂微球的粒径分布范围为0.3‑100\nμm。\n[0019] 进一步地，所述铂片的长径比为5：1‑10：1；所述长径比为铂片的最长径和与其垂\n直的最长径之比。\n[0020] 进一步地，所述载体包括氧化石墨烯和聚苯胺；所述聚苯胺将所述活性物质固定\n于所述氧化石墨烯表面。\n[0021] 上述技术方案进一步限定载体的种类为氧化石墨烯，氧化石墨烯具有优异的电化\n学性能，并且，其片层状结构容易与本发明加入的三种不同形貌的颗粒发生物理相互作用，\n即为，铂纤维可以缠结于氧化石墨烯片层结构边缘凸起，而铂片则可以和氧化石墨烯片层\n相互插层，如此，可以进一步提升活性物质和载体之间的相互作用。\n[0022] 进一步地，所述铂纤维、铂微球和铂片表面吸附有纳米过渡金属氧化物；所述纳米\n过渡金属氧化物为氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化铁、氧化铜中的任意一种。\n[0023] 进一步地，所述氧化石墨烯是由氧化石墨烯分散液经喷雾造粒得到。\n[0024] 一种氢燃料电源车，包括所述的车载氢燃料电池。\n具体实施方式\n[0025] 以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的\n限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。\n[0026] 除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。\n[0027] 实施例1\n[0028] 铂纤维选用纤维状铂金属，纤维的长度分布范围为10‑30μm为宜，过短在实际使用\n时，起到的缠结，串接作用减弱，过长则难以在制备过程中加工制造；\n[0029] 铂微球选用粒径分布范围为0.3‑10μm以内的空心铂微球，粒径过小，在实际制造\n过程中容易发生团聚，且掉粉现象严重，实际生产成本可能会增加，粒径过大，容易在加工\n过程中被压碎，并且大颗粒也难以被负载；\n[0030] 铂片选用平均长径比为5：1的铂片，铂片的大小以平均粒径在5‑30μm为宜，铂片尺\n寸的选择，必须与纤维以及微球的尺寸相匹配；\n[0031] 铂纤维、铂微球和铂片表面处理：将纳米过渡金属氧化物分散于浓度为2g/L的多\n巴胺溶液中，纳米过渡金属氧化物的加入量以10g/L为宜，超声分散均匀后，再按铂纤维、铂\n微球和铂片的质量比为1：2：3加入三种物料，继续超声分散均匀后，过滤，收集负载了纳米\n过渡金属氧化物的物料，并将物料烘干后，于惰性气体保护状态下，煅烧，以去除多巴胺，得\n预处理活性物质；\n[0032] 载体的准备：将氧化石墨烯分散于水中，经喷雾干燥，得到预处理氧化石墨烯；\n[0033] 按重量份数计，依次取10份预处理活性物质，100份预处理氧化石墨烯，300份浓度\n为0.01mol/L的苯胺溶液，0.03份过硫酸铵，先将预处理活性物质和氧化石墨烯分散于苯胺\n溶液中，再调节pH至酸性，不足以溶解过渡金属氧化物，随后加入过硫酸铵，于冰水浴中进\n行聚合反应，待反应结束后，过滤，洗涤和干燥，即得电催化剂产品；\n[0034] 将所得电催化剂产品应用于膜电极中，并与双极板等部件组装成燃料电池。\n[0035] 实施例2\n[0036] 铂纤维选用纤维状铂金属，纤维的长度分布范围为100‑300μm为宜，过短在实际使\n用时，起到的缠结，串接作用减弱，过长则难以在制备过程中加工制造；\n[0037] 铂微球选用粒径分布范围为10‑30μm以内的空心铂微球，粒径过小，在实际制造过\n程中容易发生团聚，且掉粉现象严重，实际生产成本可能会增加，粒径过大，容易在加工过\n程中被压碎，并且大颗粒也难以被负载；\n[0038] 铂片选用长径比为8：1的铂片，铂片的大小以平均粒径在5‑50μm为宜，铂片尺寸的\n选择，必须与纤维以及微球的尺寸相匹配；\n[0039] 铂纤维、铂微球和铂片表面处理：将纳米过渡金属氧化物分散于浓度为2g/L的多\n巴胺溶液中，纳米过渡金属氧化物的加入量以15g/L为宜，超声分散均匀后，再按铂纤维、铂\n微球和铂片的质量比为2：3：5加入三种物料，继续超声分散均匀后，过滤，收集负载了纳米\n过渡金属氧化物的物料，并将物料烘干后，于惰性气体保护状态下，煅烧，以去除多巴胺，得\n预处理活性物质；\n[0040] 载体的准备：将氧化石墨烯分散于水中，经喷雾干燥，得到预处理氧化石墨烯；\n[0041] 按重量份数计，依次取12份预处理活性物质，120份预处理氧化石墨烯，350份浓度\n为0.01mol/L的苯胺溶液，0.04份过硫酸铵，先将预处理活性物质和氧化石墨烯分散于苯胺\n溶液中，再调节pH至酸性，不足以溶解过渡金属氧化物，随后加入过硫酸铵，于冰水浴中进\n行聚合反应，待反应结束后，过滤，洗涤和干燥，即得电催化剂产品；\n[0042] 将所得电催化剂产品应用于膜电极中，并与双极板等部件组装成燃料电池。\n[0043] 实施例3\n[0044] 铂纤维选用纤维状铂金属，纤维的长度分布范围为10‑300μm为宜，过短在实际使\n用时，起到的缠结，串接作用减弱，过长则难以在制备过程中加工制造；\n[0045] 铂微球选用粒径分布范围为0.3‑100μm以内的空心铂微球，粒径过小，在实际制造\n过程中容易发生团聚，且掉粉现象严重，实际生产成本可能会增加，粒径过大，容易在加工\n过程中被压碎，并且大颗粒也难以被负载；\n[0046] 铂片选用长径比为5：1‑10：1的铂片，铂片的大小以平均粒径在5‑50μm为宜，铂片\n尺寸的选择，必须与纤维以及微球的尺寸相匹配；\n[0047] 铂纤维、铂微球和铂片表面处理：将纳米过渡金属氧化物分散于浓度为2g/L的多\n巴胺溶液中，纳米过渡金属氧化物的加入量以20g/L为宜，超声分散均匀后，再按铂纤维、铂\n微球和铂片的质量比为3：5：6加入三种物料，继续超声分散均匀后，过滤，收集负载了纳米\n过渡金属氧化物的物料，并将物料烘干后，于惰性气体保护状态下，煅烧，以去除多巴胺，得\n预处理活性物质；\n[0048] 载体的准备：将氧化石墨烯分散于水中，经喷雾干燥，得到预处理氧化石墨烯；\n[0049] 按重量份数计，依次取15份预处理活性物质，150份预处理氧化石墨烯，420份浓度\n为0.01mol/L的苯胺溶液，0.05份过硫酸铵，先将预处理活性物质和氧化石墨烯分散于苯胺\n溶液中，再调节pH至酸性，不足以溶解过渡金属氧化物，随后加入过硫酸铵，于冰水浴中进\n行聚合反应，待反应结束后，过滤，洗涤和干燥，即得电催化剂产品；\n[0050] 将所得电催化剂产品应用于膜电极中，并与双极板等部件组装成燃料电池。\n[0051] 实施例4\n[0052] 本实施例和实施例1相比，区别在于，选用等质量的无定形碳取代氧化石墨烯，其\n余条件保持不变。\n[0053] 对比例1\n[0054] 本对比例和实施例1相比，区别在于未加入铂纤维，其余条件保持不变。\n[0055] 对比例2\n[0056] 本对比例和实施例1相比，区别在于未加入铂片，其余条件保持不变。\n[0057] 对比例3\n[0058] 本对比例和实施例1相比，区别在于未加入铂微球，其余条件保持不变。\n[0059] 分别取各实施例和对比例所得电催化剂产品，采用NT‑1型X射线光电子能谱(中科\n院沈阳科学仪器厂)对上述各个实施例和对比例所制备得到的电催化剂产品进行元素分\n析，具体分析结果见表1；\n[0060] 表1：样品测试结果\n[0061]\n[0062] 由表1测试结果可知，各实施例相比于对比例而言，可以在载体上负载更多的活性\nPt催化剂。\n[0063] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的\n限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，\n均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。