一體式可再生質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFCs)是一種高效的能量轉(zhuǎn)換裝置,同時(shí)其具有環(huán)境友好、工作溫度低、啟動(dòng)速度快、壽命長、比能量高等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是一種很有應(yīng)用前景的“綠色”技術(shù)。一體式可再生燃料電池(Unitized Regenerative Fuel Cells,URFCs)是基于PEMFC技術(shù)的、同時(shí)具有燃料電池和水電解器功能的高效儲(chǔ)能系統(tǒng),與太陽能等清潔能源結(jié)合,可以在

2、空間或潛艇等特殊運(yùn)用場(chǎng)合發(fā)揮巨大的作用。
　　本論文從催化劑層制備、氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layers,GDLs)的疏水處理、水電解模式供水方式及其壽命問題等多個(gè)方面,采用掃描電子顯微鏡(SEM)、循環(huán)伏安法(CV)和常規(guī)性能測(cè)試方法等評(píng)價(jià)了URFC中膜電極和催化劑單電極的性能,研究了以上各種條件與電池不同模式下性能的關(guān)系。
　　創(chuàng)新膜電極制備中采用了化學(xué)還原原位鉑生長法將Pt催化劑直接沉積到噴有碳粉層的N

3、afion膜表面,并與商業(yè)Pt/C催化劑滴加法和Pt濺射法等在CV測(cè)試中進(jìn)行了性能對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明Pt以納米線簇的方式生長在碳粉顆粒表面,宏觀上成絨毛狀,外疏內(nèi)密,理論上其外疏內(nèi)密的朝向有利于氧氣的催化還原反應(yīng)。對(duì)比其他樣品可知原位鉑生長電極展現(xiàn)出了一定的催化性能,在相同催化劑載量下,原位鉑生長法制備的催化劑活性比商業(yè)催化劑稍低,但大幅優(yōu)于濺射制得的Pt催化劑層。新方法制備的單電池在測(cè)試中(氧氣環(huán)境)性能可達(dá)1.3Acm-2/0.5V,最

4、高的輸出功率為0.64Wcm-2。
　　膜電極研究中結(jié)合了從氧電極、從氫電極和雙向供水三種不同模式,對(duì)URFC的燃料電池(Fuel Cell,FC)和水電解(Water Electrolysis,WE)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)表明采用0.12mgcm-2的Pt載量(50％Pt/C)氫電極催化劑,0.80mgcm-2雙效氧電極催化劑(Ir:Pt=1:3)的MEA可達(dá)本實(shí)驗(yàn)中最佳性能:FC模式0.64Acm-2/0.60V;WE模式2.1

5、8Acm-2/1.80V。另外,不同供水方式對(duì)WE模式性能的影響隨碳紙疏水性的變化而改變。例如MEA采用疏水比例為20.68%的氧電極碳紙時(shí),供水模式的優(yōu)劣順序?yàn)椤把蹼姌O=雙向>氫電極”;而疏水比例為29.97%時(shí),順序變?yōu)椤半p向>氫電極>氧電極供水”。
　　對(duì)URFC水電解器壽命的研究證實(shí)了URFC的水電解模式可以至少正常運(yùn)行140h以上,但該運(yùn)行過程持續(xù)伴隨著性能下降,且下降速率逐漸變慢至趨于勻速,在有限的時(shí)間內(nèi)未觀測(cè)到水電解

6、器趨于性能穩(wěn)定。在0-6h內(nèi)處于驟降,在6h后下降速率保持相對(duì)穩(wěn)定。另外,在40h間歇測(cè)試中,每次間歇后性能都處在不穩(wěn)定狀態(tài),但各段峰值電流都保持在一定范圍內(nèi),整體上沒有大幅度的性能下滑。另外從單段持續(xù)測(cè)試的性能曲線來看,其下降斜率也在逐漸減小,性能逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定。
　　總之,本文提出的化學(xué)還原原位鉑生長法可以認(rèn)為是一種簡(jiǎn)便高效的MEA制備方法;另外經(jīng)過對(duì)催化劑、擴(kuò)散層和供水模式等的綜合優(yōu)化,可以制得性能良好且有一定長時(shí)穩(wěn)定性的