質(zhì)子交換膜燃料電池Pt/C陰極氧還原動力學模擬
發(fā)布時間：2020-12-04 08:59
質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化應用迫切要求降低其Pt載量.本文通過Pt/C氧還原電極的動力學模型計算,研究了Pt/C電極中的氧分布、生成電流以及滿足實際應用的最小Pt載量.結(jié)果表明,燃料電池Pt/C電極,陰極產(chǎn)生嚴重濃差極化的催化層厚度為40μm;功率密度達到1.4 W·cm-2(2.1 A·cm-2@0.67 V)的電池性能需要3μm左右的Pt/C陰極催化層,陰極Pt載量為0.122 mg·cm-2,即可使膜電極的陰極鉑用量低于0.087 g·k W-1.
【文章來源】：電化學. 2016年02期 第129-134頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
Pt/C電極表面的電化學反應動力學模型
第2期李賞等：質(zhì)子交換膜燃料電池Pt/C陰極氧還原動力學模擬圖2Pt/C電極中氧氣分布的不同情況Fig.2DifferentsituationsofoxygendistributioninPt/Celectrode表2Pt/C電極的計算參數(shù)Tab.2CalculatedparametersforPt/Celectrode＝csO2nFDeffO2rfi0Lc0O2!"12expαnF2RT!η"tanhLrfi0nFDeffO2Lc0O2!"12expαnF2RT!η"#$$$$$$$$%&’’’’’’’’((8)并采用MATLAB計算c(x)、L*和I的值.1.3參數(shù)的確定為簡化計算過程，假設(shè)傳統(tǒng)的Pt/C催化劑所有的Pt納米顆粒為直徑3nm的圓球.如無特殊規(guī)定，溫度T設(shè)定為348.15K.1）體積表面積體積表面積(S*)是指單位體積內(nèi)的催化劑真實表面積，用表面粗糙因子rf（m2/m2）和電極厚度L的比值來表示，電極的表面粗糙因子定義為電極的真實表面積Sr和電極的幾何投影面積S之間的比值，即：S*=rfL(9)對于Pt/C電極，Pt納米顆粒直徑為3nm，Pt載量為0.4mg·cm-2，催化層厚度為10μm，計算得S*為3.73×107m2·m-3.2）交換電流密度氧還原反應在和Nafion接觸的Pt/C表面的參比交換電流密度(i0)根據(jù)文獻[16]中提到的經(jīng)驗公式計算：lgi0=3.507-4001T(10)348.15K時，算得的Pt/C電極的參比交換電流密度為1.725×10-5A·cm-2.3）活化過電勢根據(jù)文獻[17]，電池電壓和活化過電位、接觸電阻和質(zhì)子傳導引起的歐姆降、以及傳質(zhì)引起的電壓降有很大關(guān)系.假設(shè)燃料電池在0.67V產(chǎn)生2.1A·cm-2的電流，對應于1.4W·cm-2的功率密度.根據(jù)文獻[17-19]中的數(shù)據(jù)計算氧還原的活化過電勢(η)
電化學2016年圖3Pt/C電極催化層中的氧氣分布(電極厚度100μm)Fig.3OxygendistributioninPt/Celectrodewithinthecatalystlayerthicknessof100μm不存在濃差極化[13].有效催化層厚度(L*)是指可以發(fā)生催化反應的催化層真實厚度.當電極厚度遠小于L*時，可以近似的認為電極中不存在濃差極化.當電極厚度大于0.1L*小于2L*時，電極中存在濃差極化，但還有氧氣，電極反應還可發(fā)生.當電極厚度超過3L*時，可以認為電極中所有的氧分子都被消耗了，此時將產(chǎn)生嚴重的濃差極化[20].根據(jù)方程(7)可以計算出Pt/C電極的L*為20.4μm，當催化層厚度達到2L*，即40.8μm時，濃差極化就比較嚴重了，這和作者前面的計算結(jié)果相一致.燃料電池中的電化學反應能夠產(chǎn)生多少電流是最受關(guān)注的問題.根據(jù)方程(8)的計算結(jié)果，圖4列出了Pt/C電極的電流密度與電極厚度的關(guān)系.從圖4中可以看出，Pt/C電極厚度小于40μm時，電極的電流密度隨電極厚度的增加而增加，超過40μm時趨向于一個最大值，之后，電流密度不再隨電極厚度變化，達到極限電流密度，即傳統(tǒng)Pt/C納米催化劑的催化層厚度不應超過40μm.雖然Pt/C電極的極限電流密度可以達到15A·cm-2，但國家科技部“十三五”重點研發(fā)計劃研究目標要求膜電極鉑用量0.125g·kW-1，放電功率密度為1.4W·cm-2[9]，即在0.67V的電壓下需要的電流密度為2.1A·cm-2.因此，將圖4中電流密度小于2.1A·cm-2的部分放大列于圖5中.從圖5中可以看出，產(chǎn)生2.1A·cm-2@0.67V的電量輸出（對應于1.4W·cm-2的功率密度）需要的最小電極厚度為3.05μm.根據(jù)現(xiàn)在10μm厚的CCM陰極電極Pt載量為0.4mg·cm-2計算，陰極電極厚度降低至3.05μm后的Pt載量為0.122mg·cm-
本文編號：2897322
【文章來源】：電化學. 2016年02期 第129-134頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
Pt/C電極表面的電化學反應動力學模型
第2期李賞等：質(zhì)子交換膜燃料電池Pt/C陰極氧還原動力學模擬圖2Pt/C電極中氧氣分布的不同情況Fig.2DifferentsituationsofoxygendistributioninPt/Celectrode表2Pt/C電極的計算參數(shù)Tab.2CalculatedparametersforPt/Celectrode＝csO2nFDeffO2rfi0Lc0O2!"12expαnF2RT!η"tanhLrfi0nFDeffO2Lc0O2!"12expαnF2RT!η"#$$$$$$$$%&’’’’’’’’((8)并采用MATLAB計算c(x)、L*和I的值.1.3參數(shù)的確定為簡化計算過程，假設(shè)傳統(tǒng)的Pt/C催化劑所有的Pt納米顆粒為直徑3nm的圓球.如無特殊規(guī)定，溫度T設(shè)定為348.15K.1）體積表面積體積表面積(S*)是指單位體積內(nèi)的催化劑真實表面積，用表面粗糙因子rf（m2/m2）和電極厚度L的比值來表示，電極的表面粗糙因子定義為電極的真實表面積Sr和電極的幾何投影面積S之間的比值，即：S*=rfL(9)對于Pt/C電極，Pt納米顆粒直徑為3nm，Pt載量為0.4mg·cm-2，催化層厚度為10μm，計算得S*為3.73×107m2·m-3.2）交換電流密度氧還原反應在和Nafion接觸的Pt/C表面的參比交換電流密度(i0)根據(jù)文獻[16]中提到的經(jīng)驗公式計算：lgi0=3.507-4001T(10)348.15K時，算得的Pt/C電極的參比交換電流密度為1.725×10-5A·cm-2.3）活化過電勢根據(jù)文獻[17]，電池電壓和活化過電位、接觸電阻和質(zhì)子傳導引起的歐姆降、以及傳質(zhì)引起的電壓降有很大關(guān)系.假設(shè)燃料電池在0.67V產(chǎn)生2.1A·cm-2的電流，對應于1.4W·cm-2的功率密度.根據(jù)文獻[17-19]中的數(shù)據(jù)計算氧還原的活化過電勢(η)
電化學2016年圖3Pt/C電極催化層中的氧氣分布(電極厚度100μm)Fig.3OxygendistributioninPt/Celectrodewithinthecatalystlayerthicknessof100μm不存在濃差極化[13].有效催化層厚度(L*)是指可以發(fā)生催化反應的催化層真實厚度.當電極厚度遠小于L*時，可以近似的認為電極中不存在濃差極化.當電極厚度大于0.1L*小于2L*時，電極中存在濃差極化，但還有氧氣，電極反應還可發(fā)生.當電極厚度超過3L*時，可以認為電極中所有的氧分子都被消耗了，此時將產(chǎn)生嚴重的濃差極化[20].根據(jù)方程(7)可以計算出Pt/C電極的L*為20.4μm，當催化層厚度達到2L*，即40.8μm時，濃差極化就比較嚴重了，這和作者前面的計算結(jié)果相一致.燃料電池中的電化學反應能夠產(chǎn)生多少電流是最受關(guān)注的問題.根據(jù)方程(8)的計算結(jié)果，圖4列出了Pt/C電極的電流密度與電極厚度的關(guān)系.從圖4中可以看出，Pt/C電極厚度小于40μm時，電極的電流密度隨電極厚度的增加而增加，超過40μm時趨向于一個最大值，之后，電流密度不再隨電極厚度變化，達到極限電流密度，即傳統(tǒng)Pt/C納米催化劑的催化層厚度不應超過40μm.雖然Pt/C電極的極限電流密度可以達到15A·cm-2，但國家科技部“十三五”重點研發(fā)計劃研究目標要求膜電極鉑用量0.125g·kW-1，放電功率密度為1.4W·cm-2[9]，即在0.67V的電壓下需要的電流密度為2.1A·cm-2.因此，將圖4中電流密度小于2.1A·cm-2的部分放大列于圖5中.從圖5中可以看出，產(chǎn)生2.1A·cm-2@0.67V的電量輸出（對應于1.4W·cm-2的功率密度）需要的最小電極厚度為3.05μm.根據(jù)現(xiàn)在10μm厚的CCM陰極電極Pt載量為0.4mg·cm-2計算，陰極電極厚度降低至3.05μm后的Pt載量為0.122mg·cm-
本文編號：2897322
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