發(fā)布時(shí)間：2021-10-22 01:25

　　高成本是阻礙質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化發(fā)展的重大瓶頸,而其中Pt基催化劑的使用,極大地提高了燃料電池的成本,因此發(fā)展低Pt載量高性能的膜電極成為趨勢(shì)。但是隨著陰極Pt載量的降低,活化過(guò)電勢(shì)會(huì)急劇增大,這就需要具有更高氧還原活性的催化劑。目前催化劑氧還原活性的指示符,均是在較高電勢(shì)下（0.9V）表征的,而燃料電池一般在0.8V-0.6V下工作,如何表征實(shí)際工況下催化劑氧還原活性是研制和篩選新型催化劑的關(guān)鍵課題。本文提出了采用電荷傳輸阻抗（Rct）,來(lái)評(píng)價(jià)催化劑在額定電勢(shì)區(qū)間的氧還原活性。從理論上,系統(tǒng)地給出了電荷傳輸阻抗的完整數(shù)學(xué)定義式;并且基于該理論,通過(guò)測(cè)量商業(yè)Pt/C催化劑在0.68V-0.92V電勢(shì)區(qū)間的Rct,推算出了塔菲爾斜率,從而驗(yàn)證了Rct在額定電勢(shì)區(qū)間作為氧還原活性指示符的合理性與可行性。進(jìn)一步重新評(píng)估了商業(yè)Pt_xCo_y/C合金催化劑的氧還原活性,并與商業(yè)Pt/C催化劑進(jìn)行對(duì)比分析。此外,本文還研究分析了商業(yè)Pt/C催化劑Rct在耐久性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化情況,以此來(lái)評(píng)價(jià)催化劑活性的衰退。得出以下結(jié)論:1.理論上,電荷傳輸阻抗可與交... 

【文章來(lái)源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

4很大影響。因?yàn)榇呋瘜拥膹?fù)雜性，多相性，還包含昂貴的Pt基催化劑，并且穩(wěn)定性差。目前質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化最大的障礙，即高成本和低耐久性，均與催化層關(guān)系密切。燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)三相反應(yīng)，涉及到反應(yīng)氣體（氫氣和氧氣，）傳導(dǎo)質(zhì)子的聚合物（如Nafion），以及電子導(dǎo)體（如碳載的Pt催化劑）。所以，在進(jìn)行催化層設(shè)計(jì)時(shí)，要最大化地延伸三相界面，提供充足的反應(yīng)區(qū)域，從而優(yōu)化電池性能。催化層的三相反應(yīng)界面如圖1-2所示，每個(gè)活性位點(diǎn)需要同時(shí)擁有反應(yīng)氣體，質(zhì)子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體。此外，離子聚合物要有一定的水含量，從而保證較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，而過(guò)多的反應(yīng)生成的產(chǎn)物水也需要及時(shí)排出。圖1-2三相反應(yīng)界面示意圖Fig.1-2Schematicofathree-phasereactionboundary[34].1.2.3燃料電池氣體擴(kuò)散層在質(zhì)子交換膜燃料電池單電池中，有兩片氣體擴(kuò)散層，分別位于MEA的兩側(cè)。氣體擴(kuò)散層不但可以支撐催化層，同時(shí)也為反應(yīng)氣體的傳輸和產(chǎn)物水的排出提供通道。并且與流場(chǎng)板接觸，構(gòu)成了電子的通路。一般來(lái)說(shuō)，GDL包括兩部分：支撐層或者稱(chēng)氣體擴(kuò)散媒介（GDM），以及微孔層（MPL）。常用的GDMs是碳纖維的材料，如碳紙和碳布，具有很高的孔隙率（≥70%）和良好的導(dǎo)電率[35]。圖1-3是碳紙和碳布的掃描電鏡圖。GDMs通常會(huì)進(jìn)行預(yù)處理來(lái)調(diào)節(jié)其親疏水性。比如將碳紙浸入PTFE樹(shù)脂中來(lái)增加其疏水性。

5圖1-3兩種氣體擴(kuò)散媒介基質(zhì)的掃描電子顯微鏡圖，纖維直徑均在7μm左右（a）碳纖維碳紙，不摻雜PTFE，標(biāo)尺100μm（b）碳布，標(biāo)尺600μmFig.1-3SEMmicrographsoftwogas-diffusion-mediumsubstrates,bothwithapproximately7μmdiameterfibers.(a)Carbon-fiberpaper,Spectracorp2050A,withnoPTFE.Thereferencebarindicates100μm.(b)Carboncloth,TextronAvcarb1071HCB.Thereferencebarindicates600μm[35].MPL在提高GDL性能方面也扮演著重要的角色。其制備過(guò)程如下：一定量的碳粉，溶劑（如異丙醇）和粘結(jié)劑（如PTFE）徹底混合，形成懸濁液，將其涂在GDM上時(shí)，即形成一個(gè)薄的MPL層。MPL可以調(diào)節(jié)GDM的孔隙率，從而改善了GDL中的水和反應(yīng)氣體的傳輸。MPL的組分，包括碳粉和PTFE，會(huì)顯著影響GDL性能，最終影響燃料電池的性能[36-38]。研究證明MPL中含有15%-20%PTFE時(shí)具有最佳性能[39]。碳粉的性質(zhì)與載量也會(huì)影響MPL中的PTFE含量[38,39]。為了增強(qiáng)液態(tài)水和反應(yīng)氣體的傳輸，目前提出了一種雙官能團(tuán)的MPL，其碳粉是由80wt.%的乙炔黑和20wt.%BP2000碳粉組成的復(fù)合碳[40]。1.2.4燃料電池固體電解質(zhì)膜（質(zhì)子交換膜）膜作為質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵組分，不僅起著傳導(dǎo)質(zhì)子的作用，更是隔開(kāi)了陰極與陽(yáng)極。最常使用的固體電解質(zhì)膜是全氟磺酸膜，比如Nafion和Flemion。Nafion是DuPont公司開(kāi)發(fā)的磺化的四氟乙烯基高分子化合物。其結(jié)構(gòu)主要包含三類(lèi)基團(tuán)：類(lèi)似四氟乙烯的主鏈，-O-CF2-CF-O-CF2-CF2-的支鏈和磺酸基團(tuán)。具體如圖1-4所示。


本文編號(hào)：3450106