自增濕對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的實(shí)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(lái)質(zhì)子交換膜燃料電池自增濕研究的一些重要進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。首先介紹了基于催化層修飾實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池自增濕的發(fā)展?fàn)顩r,指出吸濕性催化劑開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)高效自增濕催化層的關(guān)鍵;其次介紹了基于氣體擴(kuò)散層修飾和電極結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池自增濕的研究進(jìn)展,分析了兩種方式各自的優(yōu)缺點(diǎn),討論了其后續(xù)的發(fā)展方向;最后針對(duì)現(xiàn)有自增濕工藝存在的問(wèn)題,提出了未來(lái)的研究方向和重點(diǎn),對(duì)這類自增濕研究的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景進(jìn)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(bǔ)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(lái)源】：化工進(jìn)展. 2020,39(06)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【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(jì)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(shí)為460mW/cm2。隨后他們?cè)?009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(jiàn)圖2，以保持電解質(zhì)的濕潤(rùn)，避免了膜的干燥，在低濕度下取得了不錯(cuò)的效果，在80℃、50%RH時(shí)，最高功率密度可達(dá)600mW/cm2，是無(wú)中間層GDL電池性能的1.6倍。之后，他們又通過(guò)利用無(wú)機(jī)氧化物（TiO2、Al2O3、SiO2、混合氧化物等）沉積于微孔層頂端[42]，這對(duì)氣體運(yùn)輸有著積極的作用，保水能力也使得電池在相對(duì)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(fù)荷約為0.5mg/cm2，在30%RH、0.6V時(shí)，電流密度達(dá)到1100mA/cm2，最大功率密度為751mW/cm2，和不加MCC的膜電極在100%RH時(shí)的性能相當(dāng)。而且在低濕度和0.6V下運(yùn)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?yàn)镸CC具有較強(qiáng)的保水能力，保證了催化層有足夠好的濕潤(rùn)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(guò)對(duì)GDL修飾（構(gòu)建一層親水層）來(lái)保持濕潤(rùn)性以此獲得自增濕的方法，對(duì)于GDL修飾，還有通過(guò)用親水性物質(zhì)制備擴(kuò)散層的方法，如覃群等[44]通過(guò)對(duì)炭粉進(jìn)行了酸處理增強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了電池的自增濕。Kitahara等[45-46]通過(guò)在陰極氣體擴(kuò)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(shí)現(xiàn)自增濕。通過(guò)對(duì)制備GDL的材料進(jìn)行親水處理或者沉積親水保水材料層等方式可以實(shí)現(xiàn)電池在低濕度下運(yùn)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(guò)量添加可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大。同時(shí)，也要注意添加材料不能阻礙反應(yīng)氣體的運(yùn)輸擴(kuò)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(lái)的學(xué)者對(duì)于MEA結(jié)構(gòu)的修飾著重點(diǎn)在用親水材料制備親水層，Koh等[50]通過(guò)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(jìn)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?jǐn)?shù)）時(shí)，0.6V時(shí)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(rùn)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(lái)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(xiàn)】：
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(jìn)展. 2018(Z1)
[2]免增濕型空氣自呼吸燃料電池的研究進(jìn)展[J]. 鄒浩斌,侯三英,熊子昂,廖世軍.  化工進(jìn)展. 2016(01)
[3]燃料電池自增濕膜電極的研究進(jìn)展[J]. 侯三英,熊子昂,廖世軍.  化工進(jìn)展. 2015(01)
[4]微孔層對(duì)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(hào)：2994907