直接硼氫化鈉燃料電池陽極催化劑及膜電極研究.pdf

1、直接硼氫化鈉燃料電池（DSBFC）作為一種新型的燃料電池，具有理論電壓高（1.64V）、能量密度大、可采用非貴金屬作為催化劑等優(yōu)點(diǎn)，近幾年受到廣泛關(guān)注。本論文從陽極催化劑的制備、膜電極的制備工藝和電池運(yùn)行條件等方面做了系統(tǒng)的研究，并提出了一種提高燃料庫侖效率的方法。
　　采用浸漬還原法制備了不同摩爾比PtNi/C、AuNi/C、AuPt/C二元合金催化劑。EDAX結(jié)果表明各合金催化劑的金屬載量和摩爾比均基本接近理論值。循環(huán)伏安和穩(wěn)

2、態(tài)極化的測試結(jié)果表明：三種二元合金催化劑的摩爾比均為7:3時催化性能最好，PtNi(7:3)/C在三種最優(yōu)二元催化劑中性能最佳。采用XRD、XPS等手段深入分析了合金催化劑性能提高的機(jī)制。XPS結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于Ni的加入改變了Pt的電子狀態(tài)，零價Pt的含量提高，這可能是其性能提高的原因之一。對于AuPt二元催化劑，Pt的加入可以使開路電勢和峰值電位明顯負(fù)移，峰值電流也有所提高?？偟膩砜?，合金化可以提高二元催化劑的性能，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韺?shí)現(xiàn)

3、了這一目的。
　　對膜電極制備工藝的研究發(fā)現(xiàn)，陽極催化劑采用PtNi(7:3)/C時電池性能最好；催化劑的載量提高有利于性能的提高，但載量過高會增加電極厚度對燃料傳輸不利，最優(yōu)載量為1mg·cm-2；Nafion的加入在起到粘結(jié)固定催化劑的同時會犧牲部分活性位置，10mass％的Nafion含量較為適宜；陽極擴(kuò)散層中PTFE的含量不同可得到不同的憎水性，從而調(diào)節(jié)擴(kuò)散層中憎水和親水孔的比例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PTFE的含量為5mass%時膜電

4、極性能最好；擴(kuò)散層碳粉起到整平的作用，為催化劑提供安全的工作場所，但碳粉載量過高反而使擴(kuò)散層粗糙度增大，有裂縫出現(xiàn)，另外碳粉過厚對物料傳輸不利，最后得出碳粉最佳載量為1mg·cm-2；電解質(zhì)膜仍然以Nafion117膜最為適宜，AEM性能較差；對電解質(zhì)膜預(yù)先進(jìn)行Na+化處理有利于縮短膜電極的活化時間，同時提高膜電極的放電穩(wěn)定性。在最佳制備工藝條件下電池最大功率密度分別達(dá)到25.2mW·cm-2（25℃）和54.8mW·cm-2（60℃）

5、。
　　研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)行溫度提高則電池性能大幅度增大，但實(shí)際應(yīng)用時被動式燃料電池的工作溫度不宜超過60℃；陽極燃料NaBH4的濃度的提高在一定程度上對提高電池性能有利，但濃度過高時，因?yàn)槿剂系臐B透加重了陰極的極化，而且濃度高會導(dǎo)致燃料庫侖效率下降，研究發(fā)現(xiàn)NaBH4的濃度為1.0mol·L-1時電池性能最好；支持電解質(zhì)NaOH既為電池提供電荷載體，又是NaBH4的穩(wěn)定劑，同時還參與陽極電極反應(yīng)，但NaOH濃度過高會導(dǎo)致燃料粘度過大反而

6、使電池性能下降。結(jié)果表明：NaOH濃度為6.0mol·L-1時為最佳；陰極的工作條件也會對電池的性能產(chǎn)生較大影響，因?yàn)樵陔姵刂嘘枠O極化較弱，陰極極化更為嚴(yán)重，采用純氧的電池性能優(yōu)于直接用空氣，氣體的加濕對電池性能有輕微改善；在采用陽離子膜作為電解質(zhì)膜時，陰極會有NaOH的累積，及時清除陰極產(chǎn)生的NaOH可以改善電池長時間放電性能。
　　為解決DSBFC燃料庫侖效率低的問題，我們設(shè)計制備了一種新型復(fù)合膜電極，其陽極包含上下兩個區(qū)域，