自增濕對于質(zhì)子交換膜燃料電池的實際應(yīng)用具有重要意義。本文從電極組分和結(jié)構(gòu)修飾這一角度出發(fā),介紹了近年來質(zhì)子交換膜燃料電池自增濕研究的一些重要進展和發(fā)展趨勢。首先介紹了基于催化層修飾實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池自增濕的發(fā)展狀況,指出吸濕性催化劑開發(fā)是實現(xiàn)高效自增濕催化層的關(guān)鍵;其次介紹了基于氣體擴散層修飾和電極結(jié)構(gòu)改進實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池自增濕的研究進展,分析了兩種方式各自的優(yōu)缺點,討論了其后續(xù)的發(fā)展方向;最后針對現(xiàn)有自增濕工藝存在的問題,提出了未來的研究方向和重點,對這類自增濕研究的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景進行了展望,指出吸濕性催化劑研發(fā)以及多種工藝協(xié)同互補將是今后自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展的重要方向。 

【文章來源】：化工進展. 2020,39(06)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

催化劑Pt/SiO2/C的自增濕原理[34]

Kannan等[40]在2008年以商業(yè)碳紙為基底，采用碳納米纖維于納米鏈型碳在垂直催化層方向設(shè)計納米多孔層，頂部再沉積一層薄的SiO2，制備出的GDL在50%RH下，峰值功率密度在85℃時為460mW/cm2。隨后他們在2009年又以相似的方法在CL和GDL之間沉積了一層較薄的摻雜聚苯胺（PANI)[41]中間層，見圖2，以保持電解質(zhì)的濕潤，避免了膜的干燥，在低濕度下取得了不錯的效果，在80℃、50%RH時，最高功率密度可達600mW/cm2，是無中間層GDL電池性能的1.6倍。之后，他們又通過利用無機氧化物（TiO2、Al2O3、SiO2、混合氧化物等）沉積于微孔層頂端[42]，這對氣體運輸有著積極的作用，保水能力也使得電池在相對低濕度條下仍然可以具有較高的性能。與此相似，Hou等[43]在GDL和CL之間插入一層吸濕MCC。MCC的負荷約為0.5mg/cm2，在30%RH、0.6V時，電流密度達到1100mA/cm2，最大功率密度為751mW/cm2，和不加MCC的膜電極在100%RH時的性能相當。而且在低濕度和0.6V下運行24h后，MEA的電流密度僅下降9.1%，而在相同條件下，不加MCC的MEA在3h后電流密度就下降了60%。這是因為MCC具有較強的保水能力，保證了催化層有足夠好的濕潤性，加速了氫的活化和質(zhì)子轉(zhuǎn)移，讓電池在低濕度下有良好的性能。這些都是通過對GDL修飾（構(gòu)建一層親水層）來保持濕潤性以此獲得自增濕的方法，對于GDL修飾，還有通過用親水性物質(zhì)制備擴散層的方法，如覃群等[44]通過對炭粉進行了酸處理增強其親水性，制作出具有親水/疏水復(fù)合孔結(jié)構(gòu)的微孔層，在不加濕時電池的電流密度為400mA/cm2，相比加濕的傳統(tǒng)GDL相比的電壓提高了約0.1V，在一定程度上實現(xiàn)了電池的自增濕。Kitahara等[45-46]通過在陰極氣體擴散層上添加PVA以及TiO2，不僅可以保持膜電極組分的濕度，還能有效增加催化層多余水的排放，實現(xiàn)自增濕。通過對制備GDL的材料進行親水處理或者沉積親水保水材料層等方式可以實現(xiàn)電池在低濕度下運行，但是由于添加的親水材料多為不導(dǎo)電物質(zhì)，所以一方面既要注意材料的少量添加可能起不到自增濕效果，另一方面又要注意材料的過量添加可能會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大。同時，也要注意添加材料不能阻礙反應(yīng)氣體的運輸擴散，這些都是獲得PEMFC高性能自增濕的關(guān)鍵因素。

與此不同，后來的學(xué)者對于MEA結(jié)構(gòu)的修飾著重點在用親水材料制備親水層，Koh等[50]通過靜電沉積在催化劑層上涂覆一層致密結(jié)構(gòu)（重熔結(jié)構(gòu)）層，形成了一種雙層電極結(jié)構(gòu)，促進電池的自增濕，在反應(yīng)氣體不加濕條件下性能是常規(guī)電極的3.5 倍（0.6V）。Liang等[51]采用相似的方法在陰極內(nèi)層引入PVA，形成雙陰極催化層結(jié)構(gòu)，和單陰極催化層結(jié)構(gòu)的膜電極比較，在20%RH下工作，保持在0.6V的恒定電壓下放電50h，電流密度衰減小于15%，在含3%PVA（質(zhì)量分數(shù)）時，0.6V時電流密度有910mA/cm2。也有其他研究者合成新型的親水性催化劑用以制備親水性催化層以保持濕潤性，如Roh等[52]在兩極分別采用親水性的Pt/OC催化劑和疏水性的Pt/C催化劑來制備雙催化層，在低濕度下性能也較好而且穩(wěn)定耐久，雙催化層MEA的最大功率密度為614mW/cm2，而常規(guī)單層Pt/C MEA的最大功率密度僅為439mW/cm2。與此類似，在最新發(fā)表的文章中有學(xué)者制備了一種新型的PtC/Fe-N-S-C陰極雙催化層（CDCL）膜電極組件[53]，其具有優(yōu)異的保水和耐久能力，而且可以減少Pt的使用，降低成本。圖4 自增濕MEA構(gòu)造及水傳輸路徑示意[49]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]高性能高功率密度質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極[J]. 池濱,侯三英,劉廣智,廖世軍.  化學(xué)進展. 2018(Z1)
[2]免增濕型空氣自呼吸燃料電池的研究進展[J]. 鄒浩斌,侯三英,熊子昂,廖世軍.  化工進展. 2016(01)
[3]燃料電池自增濕膜電極的研究進展[J]. 侯三英,熊子昂,廖世軍.  化工進展. 2015(01)
[4]微孔層對PEMFC自增濕性能的影響[J]. 覃群,羅志平,桂丹,黃丹峰.  電池. 2008(02)



本文編號：2994907