基于电极修饰质子交换膜燃料电池自增湿研究进展
发布时间：2021-01-23 08:38
自增湿对于质子交换膜燃料电池的实际应用具有重要意义。本文从电极组分和结构修饰这一角度出发,介绍了近年来质子交换膜燃料电池自增湿研究的一些重要进展和发展趋势。首先介绍了基于催化层修饰实现质子交换膜燃料电池自增湿的发展状况,指出吸湿性催化剂开发是实现高效自增湿催化层的关键;其次介绍了基于气体扩散层修饰和电极结构改进实现质子交换膜燃料电池自增湿的研究进展,分析了两种方式各自的优缺点,讨论了其后续的发展方向;最后针对现有自增湿工艺存在的问题,提出了未来的研究方向和重点,对这类自增湿研究的发展趋势及应用前景进行了展望,指出吸湿性催化剂研发以及多种工艺协同互补将是今后自增湿质子交换膜燃料电池发展的重要方向。
【文章来源】：化工进展. 2020,39(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
催化剂Pt/SiO2/C的自增湿原理[34]
Kannan等[40]在2008年以商业碳纸为基底，采用碳纳米纤维于纳米链型碳在垂直催化层方向设计纳米多孔层，顶部再沉积一层薄的SiO2，制备出的GDL在50%RH下，峰值功率密度在85℃时为460mW/cm2。随后他们在2009年又以相似的方法在CL和GDL之间沉积了一层较薄的掺杂聚苯胺（PANI)[41]中间层，见图2，以保持电解质的湿润，避免了膜的干燥，在低湿度下取得了不错的效果，在80℃、50%RH时，最高功率密度可达600mW/cm2，是无中间层GDL电池性能的1.6倍。之后，他们又通过利用无机氧化物（TiO2、Al2O3、SiO2、混合氧化物等）沉积于微孔层顶端[42]，这对气体运输有着积极的作用，保水能力也使得电池在相对低湿度条下仍然可以具有较高的性能。与此相似，Hou等[43]在GDL和CL之间插入一层吸湿MCC。MCC的负荷约为0.5mg/cm2，在30%RH、0.6V时，电流密度达到1100mA/cm2，最大功率密度为751mW/cm2，和不加MCC的膜电极在100%RH时的性能相当。而且在低湿度和0.6V下运行24h后，MEA的电流密度仅下降9.1%，而在相同条件下，不加MCC的MEA在3h后电流密度就下降了60%。这是因为MCC具有较强的保水能力，保证了催化层有足够好的湿润性，加速了氢的活化和质子转移，让电池在低湿度下有良好的性能。这些都是通过对GDL修饰（构建一层亲水层）来保持湿润性以此获得自增湿的方法，对于GDL修饰，还有通过用亲水性物质制备扩散层的方法，如覃群等[44]通过对炭粉进行了酸处理增强其亲水性，制作出具有亲水/疏水复合孔结构的微孔层，在不加湿时电池的电流密度为400mA/cm2，相比加湿的传统GDL相比的电压提高了约0.1V，在一定程度上实现了电池的自增湿。Kitahara等[45-46]通过在阴极气体扩散层上添加PVA以及TiO2，不仅可以保持膜电极组分的湿度，还能有效增加催化层多余水的排放，实现自增湿。通过对制备GDL的材料进行亲水处理或者沉积亲水保水材料层等方式可以实现电池在低湿度下运行，但是由于添加的亲水材料多为不导电物质，所以一方面既要注意材料的少量添加可能起不到自增湿效果，另一方面又要注意材料的过量添加可能会导致电池内阻增大。同时，也要注意添加材料不能阻碍反应气体的运输扩散，这些都是获得PEMFC高性能自增湿的关键因素。
与此不同，后来的学者对于MEA结构的修饰着重点在用亲水材料制备亲水层，Koh等[50]通过静电沉积在催化剂层上涂覆一层致密结构（重熔结构）层，形成了一种双层电极结构，促进电池的自增湿，在反应气体不加湿条件下性能是常规电极的3.5 倍（0.6V）。Liang等[51]采用相似的方法在阴极内层引入PVA，形成双阴极催化层结构，和单阴极催化层结构的膜电极比较，在20%RH下工作，保持在0.6V的恒定电压下放电50h，电流密度衰减小于15%，在含3%PVA（质量分数）时，0.6V时电流密度有910mA/cm2。也有其他研究者合成新型的亲水性催化剂用以制备亲水性催化层以保持湿润性，如Roh等[52]在两极分别采用亲水性的Pt/OC催化剂和疏水性的Pt/C催化剂来制备双催化层，在低湿度下性能也较好而且稳定耐久，双催化层MEA的最大功率密度为614mW/cm2，而常规单层Pt/C MEA的最大功率密度仅为439mW/cm2。与此类似，在最新发表的文章中有学者制备了一种新型的PtC/Fe-N-S-C阴极双催化层（CDCL）膜电极组件[53]，其具有优异的保水和耐久能力，而且可以减少Pt的使用，降低成本。图4 自增湿MEA构造及水传输路径示意[49]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能高功率密度质子交换膜燃料电池膜电极[J]. 池滨,侯三英,刘广智,廖世军. 化学进展. 2018(Z1)
[2]免增湿型空气自呼吸燃料电池的研究进展[J]. 邹浩斌,侯三英,熊子昂,廖世军. 化工进展. 2016(01)
[3]燃料电池自增湿膜电极的研究进展[J]. 侯三英,熊子昂,廖世军. 化工进展. 2015(01)
[4]微孔层对PEMFC自增湿性能的影响[J]. 覃群,罗志平,桂丹,黄丹峰. 电池. 2008(02)
本文编号：2994907
【文章来源】：化工进展. 2020,39(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
催化剂Pt/SiO2/C的自增湿原理[34]
Kannan等[40]在2008年以商业碳纸为基底，采用碳纳米纤维于纳米链型碳在垂直催化层方向设计纳米多孔层，顶部再沉积一层薄的SiO2，制备出的GDL在50%RH下，峰值功率密度在85℃时为460mW/cm2。随后他们在2009年又以相似的方法在CL和GDL之间沉积了一层较薄的掺杂聚苯胺（PANI)[41]中间层，见图2，以保持电解质的湿润，避免了膜的干燥，在低湿度下取得了不错的效果，在80℃、50%RH时，最高功率密度可达600mW/cm2，是无中间层GDL电池性能的1.6倍。之后，他们又通过利用无机氧化物（TiO2、Al2O3、SiO2、混合氧化物等）沉积于微孔层顶端[42]，这对气体运输有着积极的作用，保水能力也使得电池在相对低湿度条下仍然可以具有较高的性能。与此相似，Hou等[43]在GDL和CL之间插入一层吸湿MCC。MCC的负荷约为0.5mg/cm2，在30%RH、0.6V时，电流密度达到1100mA/cm2，最大功率密度为751mW/cm2，和不加MCC的膜电极在100%RH时的性能相当。而且在低湿度和0.6V下运行24h后，MEA的电流密度仅下降9.1%，而在相同条件下，不加MCC的MEA在3h后电流密度就下降了60%。这是因为MCC具有较强的保水能力，保证了催化层有足够好的湿润性，加速了氢的活化和质子转移，让电池在低湿度下有良好的性能。这些都是通过对GDL修饰（构建一层亲水层）来保持湿润性以此获得自增湿的方法，对于GDL修饰，还有通过用亲水性物质制备扩散层的方法，如覃群等[44]通过对炭粉进行了酸处理增强其亲水性，制作出具有亲水/疏水复合孔结构的微孔层，在不加湿时电池的电流密度为400mA/cm2，相比加湿的传统GDL相比的电压提高了约0.1V，在一定程度上实现了电池的自增湿。Kitahara等[45-46]通过在阴极气体扩散层上添加PVA以及TiO2，不仅可以保持膜电极组分的湿度，还能有效增加催化层多余水的排放，实现自增湿。通过对制备GDL的材料进行亲水处理或者沉积亲水保水材料层等方式可以实现电池在低湿度下运行，但是由于添加的亲水材料多为不导电物质，所以一方面既要注意材料的少量添加可能起不到自增湿效果，另一方面又要注意材料的过量添加可能会导致电池内阻增大。同时，也要注意添加材料不能阻碍反应气体的运输扩散，这些都是获得PEMFC高性能自增湿的关键因素。
与此不同，后来的学者对于MEA结构的修饰着重点在用亲水材料制备亲水层，Koh等[50]通过静电沉积在催化剂层上涂覆一层致密结构（重熔结构）层，形成了一种双层电极结构，促进电池的自增湿，在反应气体不加湿条件下性能是常规电极的3.5 倍（0.6V）。Liang等[51]采用相似的方法在阴极内层引入PVA，形成双阴极催化层结构，和单阴极催化层结构的膜电极比较，在20%RH下工作，保持在0.6V的恒定电压下放电50h，电流密度衰减小于15%，在含3%PVA（质量分数）时，0.6V时电流密度有910mA/cm2。也有其他研究者合成新型的亲水性催化剂用以制备亲水性催化层以保持湿润性，如Roh等[52]在两极分别采用亲水性的Pt/OC催化剂和疏水性的Pt/C催化剂来制备双催化层，在低湿度下性能也较好而且稳定耐久，双催化层MEA的最大功率密度为614mW/cm2，而常规单层Pt/C MEA的最大功率密度仅为439mW/cm2。与此类似，在最新发表的文章中有学者制备了一种新型的PtC/Fe-N-S-C阴极双催化层（CDCL）膜电极组件[53]，其具有优异的保水和耐久能力，而且可以减少Pt的使用，降低成本。图4 自增湿MEA构造及水传输路径示意[49]
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能高功率密度质子交换膜燃料电池膜电极[J]. 池滨,侯三英,刘广智,廖世军. 化学进展. 2018(Z1)
[2]免增湿型空气自呼吸燃料电池的研究进展[J]. 邹浩斌,侯三英,熊子昂,廖世军. 化工进展. 2016(01)
[3]燃料电池自增湿膜电极的研究进展[J]. 侯三英,熊子昂,廖世军. 化工进展. 2015(01)
[4]微孔层对PEMFC自增湿性能的影响[J]. 覃群,罗志平,桂丹,黄丹峰. 电池. 2008(02)
本文编号：2994907
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