质子交换膜燃料电池膜电极催化层的设计与优化

《质子交换膜燃料电池膜电极催化层的设计与优化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn1质子交换膜燃料电池膜电极催化层的设计与优化1,2,*231,2,*林瑞，李冰，侯向理，马建新1同济大学新能源汽车工程中心，上海(201804)2同济大学汽车学院氢能技术研究所，上海(201804)3上海燃料电池汽车动力系统有限公司，上海(201804)Email:ruilin@mail.tongji.edu.cn摘要：本文考察了阴极侧添加不同含量PTFE对质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜电极(MEA)结构及性能的影响。分别采用扫描电镜(SEM)、循环伏安(CV)和电化学交流阻抗谱(EIS)技术对PEMFC的微

2、观结构、电化学性能进行了表征。通过电池的放电曲线发现PTFE的添加对电池的性能有很大影响：当阴极催化剂中PTFE的含量≤10%时，燃料电池的性能随PTFE含量的增加而提高；但进一步提高PTFE的含量，电池性能反而下降。SEM、CV及EIS结果表明，适量PTFE的添加增加了催化剂的分散度并有助于催化剂之间的孔隙形成网状结构，从而提高了电化学反应的活性面积并促进电荷传递及氧气、水的传质过程。然而过量的PTFE可能会覆盖催化剂的表面并使得催化剂颗粒之间形成的孔隙变小，造成催化剂的利用率下降，传质阻抗以及电荷传递阻抗变大，导致电池性能降低。关键词:质子交换膜燃料电池

3、；PTFE；扫描电镜；循环伏安；电化学交流阻抗中图分类号：TM911.41.引言质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于具有能量密度高、可连续工作、环境友好等特点，被认为是未来最理想的绿色能源技术之一[1]。作为PEMFC的关键组件，膜电极(MembraneElectrodeAssembly,MEA)主要由质子交换膜、气体扩散层和电催化层三部分组成，它的结构对PEMFC的性能起着关键性的作用。为使电化学反应顺利进行，MEA必须具备连续的质子、电子、反应气体和水的通道。因此，理想的MEA必须具有较高的传质能力、质子传导性及导电性等特点；而这些性质与MEA的制备方法

4、密切相关[2]。迄今为止，研究工作者在发展新的MEA制备工艺、改进MEA的结构等方面做出了不懈的努力，主要通过增加催化剂/电解质的接触面，扩大三相反应区及催化剂利用率等手段，以最终实现电池性能的提高。研究表明氧电极还原是电极反应的决速步骤，氧电极的电荷传递能力、氧在催化层的传质过程及水的传输是影响电池性能的重要因素之一[2-7]。其中水的传输及含量对燃料电池的性能影响甚大，电极缺水会使得电池的阻抗增加，导致电池性能下降；但电极水含量太高会造成电极易被水淹，导致电池的传质能力减弱，直接影响氧电极反应的动力学过程且间接地影响Pt催化剂与质子交换膜之间的接触状态。

5、通过改善氧电极的疏水性以加快电池传质速度，是电池性能提高的有效方法之一[9-12]。很多研究者通过添加憎水剂的方式对MEA的性能进行了研究，但是有关将PTFE直接添加到催化层的研究报道并不多见。催化层中添加PTFE有助于改进催化层的三维立体结构还使得催化剂与质子交换膜牢固结合，由此改善氧在催化层的传输过程并有利于电池性能的提高[12-18]。基于PTFE的含量严重影响燃料电池的性能，因此本研究拟在MEA的氧电极中直接添加PTFE，改进催化层的结构以期改善氧电极的传质能力而达到提高电池性能之目标。通过考1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（新教师基金）(

6、20070247055)；国家自然科学基金(20703031)；同济大学青年优秀人才培养行动计划(1700279016)；上海市分子催化和功能材料重点实验室开放基金（2005KF06）资助。-1-http://www.paper.edu.cn察PTFE的添加量对电极催化层结构以及电池放电性能的影响，结合电化学和微观结构表征手段，寻找电池性能变化的内在原因及提高电池性能的方法。2.实验部分2.1电极制备电极制备工艺如下：采用PTFE处理过的Toray碳纸（日本东丽公司）为电极支撑体，上面涂一层碳粉为中间层。将催化剂（40%Pt/C，JohnsonMatthey

7、Corp.）加入到含5wt%Nafion的异丙醇溶液中（WPt/C：WNafion=3:1），超声振荡数分钟使成为“油墨状”，均匀地喷涂在Nafion-2膜上（Dupond公司生产的Nafion-212膜，Pt的担载量为0.4mgPt·cm。氧电极的制备过程和氢电极基本相同，考虑到氧电极需要一定的疏水性，因此添加一定含量（5wt%，10wt%，15wt%及20wt%）的PTFE乳液，再进行预处理。并进行阴极不添加PTFE乳液的对比实验。2.2氢/空质子交换膜燃料电池性能评价燃料电池放电性能评价采用电子负载(Sun-Fel200A，大连新源动力)，氢气侧与空气

8、侧o压力为：PH2=Pair=0.1Mpa，氢气与空