燃料電池納米纖維催化劑層的制備與表征研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)因其具有低溫、高效率、零排放等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是汽車的終極動(dòng)力源之一。催化劑層(Catalyst Layer,CL)是燃料電池的動(dòng)力反應(yīng)區(qū)域，決定著燃料電池的性能和耐久性。
　　本研究通過靜電紡絲法成功制備出低鉑載量下具有較高性能的燃料電池納米纖維催化劑層，并采用物理、電化學(xué)方法來表征其結(jié)構(gòu)與功能。同時(shí)，本研究揭示了納米纖維催化劑層的

2、活化機(jī)理，確定了納米纖維催化劑層在不同溫濕度下的運(yùn)行特征，為下一代燃料電池催化劑層的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供了新的思路。以下是本文的主要研究?jī)?nèi)容:
　　首先是燃料電池納米纖維催化劑層的制備方法及性能表征部分。該部分通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)確定了催化劑層的制備規(guī)程，主要包括紡絲溶液配方、均勻靜電紡絲液的制備、靜電紡絲法制備催化劑層;最后制備得到纖維平均直徑在200-800nm催化劑層，且單根纖維內(nèi)的催化劑分布均勻。對(duì)比不同鉑載量的納米纖維催化劑層發(fā)現(xiàn)，隨

3、鉑載量的增大，燃料電池的性能逐漸提升;與相同鉑載量的傳統(tǒng)催化劑層相比，雖然納米纖維催化劑層的厚度(17μm)是傳統(tǒng)催化劑層(3μm)的5倍左右，且納米纖維催化劑層的疏水性（水接觸角為146.05°）略差于傳統(tǒng)催化劑層（水接觸角為150.1°），但是納米纖維催化劑層的性能仍然優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑層，分析原因主要有兩方面，一方面是納米纖維具有更大的比表面積（納米纖維催化劑層的比表面積為22.96m·g-1，傳統(tǒng)催化劑層的比表面積為3.876m·g

4、-1），從而為燃料電池提供了更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)(ECSAe/ECSAc=1.4)。另一方面是因?yàn)榧{米纖維催化劑層具有更多的孔隙結(jié)構(gòu)，而這些孔隙有利于陰極水的及時(shí)排除，從而低燃料電池在大電流密度下的物質(zhì)傳輸損失。
　　其次是納米纖維催化劑層的活化過程性能大幅上升的機(jī)理解析。該部分通過電化學(xué)阻抗譜和循環(huán)伏安法研究活化過程中的阻抗和電化學(xué)活性面積變化規(guī)律;同時(shí)，采用熱重法分析水處理前后催化劑層的元素含量變化，來分析活化過程中組分演化規(guī)律

5、;揭示了靜電紡絲催化劑層中的高分子有機(jī)物PAA在活化過程中會(huì)逐步溶解，導(dǎo)致性能提升的活化機(jī)理。
　　隨后，我們對(duì)多溫濕度下兩種催化劑層的性能進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在溫度相同時(shí)，隨濕度的增加，兩種催化劑層的性能都逐漸提高;低中濕環(huán)境下，兩種催化劑層的性能隨溫度的升高都有所下降;在高濕環(huán)境下，兩種催化劑層均在70℃下性能最好;兩種催化劑層的最佳工況都為70℃-100％RH。此外，該部分對(duì)比了靜電紡絲催化劑層與傳統(tǒng)催化劑層在不同溫濕度

6、下的性能曲線，發(fā)現(xiàn)相同鉑載量情況下(0.1mg/cm2)，靜電紡絲法制備得到的納米纖維催化劑層在高溫、高濕度下性能比傳統(tǒng)催化劑層的高。同時(shí)，本文也采用零維電化學(xué)模型對(duì)性能曲線進(jìn)行損失分離，結(jié)果表明納米纖維催化劑層具有更低的活化過電勢(shì)。
　　最后，我們對(duì)有序納米纖維結(jié)構(gòu)催化劑層和垂直交錯(cuò)型納米纖維結(jié)構(gòu)催化劑層進(jìn)行了初步探索。本部分在原有靜電紡絲制備方法的基礎(chǔ)上，調(diào)整了納米纖維的收集方式，采用高速取向收集裝置制備得到纖維取向有序的納米