质子交换膜燃料电池非铂/低铂阴极催化层设计和性能优化
发布时间：2021-11-29 11:40
质子交换膜燃料电池（PEMFC）因具有功率密度高、启动速度快等优势受到了广泛关注。但由于阴极氧还原（ORR）反应动力学过程慢,过电位高,长期依靠价格高昂的Pt等贵金属催化剂,严重制约其商业化进程。近年来降低Pt在催化ORR中的用量主要集中在三方面:1、优化铂基催化层的制备技术获得较低载量Pt且分布均匀的阴极催化层;2、利用合金化效应制备铂合金催化剂提高Pt的利用率;3、采用廉价高效的非贵金属催化剂从根本上解决Pt资源储备有限和价格昂贵等问题。本论文分别对以上三种降低阴极催化层Pt用量的途径进行了探究。首先根据课题组之前的方法制备了基于间苯二胺的高活性Fe/N/C催化剂,针对Fe/N/C催化剂在高载量下催化层氧气传质问题进行了阴极催化层的结构设计,运用激光刻蚀技术在催化层内构造气体传质流道,改善传质性能;探索并优化了基于Pt/C催化剂燃料电池的膜电极制备工艺条件,获得了较高的电池性能。在此基础上初步探索了高活性PtCu合金催化剂在PEMFC上应用。主要的研究结果如下:（1）Fe/N/C阴极催化层中随着Nafion用量增大,虽然质子传导能力增强,但传质极化迅速增大。采用激光刻蚀的方法在催化...
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＰＥＭＦＣ分解示意图：（ａ）?ＰＥＭＦＣ单电池；（ｂ）?ＭＥＡ；?（ｃ）双层气体扩散层？??
Ｆｉｇ．?ｉ．２?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ａ?ＰＥＭＦＣ?（Ｉ：?ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ??ｓｅｃｔｉｏｎ；?ＩＩ：?ｏｈｍｉｃ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｓｅｃｔｉｏｎ；?ＩＩＩ：?ｍａｓｓ?ｔｒａｎｓｐｏｒｔ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｓｅｃｔｉｏｎ）??如图１．２所示是典型的ＰＥＭＦＣ的性能曲线图，包括了反应电池电压对于电??流密度变化关系的极化曲线，以及电池功率密度对于电流密度变化关系的功率密??度曲线。对于氢氧ＰＥＭＦＣ，单电池的理论开路电压是１．２３?Ｖ。由于电化学反应??过电位以及欧姆极化和浓差极化的影响，最终的单电池额定工作电压通常为??０．６？０．７Ｖ。图１．２中在每个区域往往存在多种导致电势降低的因素，各个区域是??按照导致电势降低最主要因素来划分的。主要有三个导致电势降低的因素：１、??电化学活化极化，２、欧姆极化，３、传质极化（或称浓差极化）。式１－４表示了燃??料电池的工作电压Ｖｃｅｌｌ和各部分极化现象的关系［３］：??Ｖ?ｃｅｌｌ?＝?Ｆ－Ｔ｜ａＪａ＿ｎａ，ｅ－ｌｌｒ＇ｎｍ，ａ＇Ｔｌｍ，ｃ?（１＿４）??其中化３和１１：１
改性或者开发新的廉价高效的质子交换膜来提高ＰＥＭＦＣ的性能，促进商业化进??程［２４－２６］。??图１．３所示的是气体扩散层在ＭＥＡ中的位置和微观结构，其结构通常由单??层碳基体材料或者一层碳基体和一层微孔层（ＭＰＬ）的双层结构（如图１．１（ｃ）所??示）构成，具有多孔和疏水的特性［２７，２８］。碳基体材料通常采用导电性良好的碳纸??或碳布，ＭＰＬ通常使用导电炭黑和ＰＴＦＥ?（起到粘结剂和疏水的作用）的混合物??负载在碳基体表面制备而成。作为基体部分的碳纸或碳布，其厚度和碳纤维的排??布会影响电池中的水分排放从而在一定程度上决定了电池的性能（例如极限电流??密度）。而ＭＰＬ会降低接触电阻，同时影响ＧＤＬ的毛细压力分布、降低水分??在ＧＤＬ和ＣＬ界面间的饱和度，造成水分在质子交换膜、催化层以及气体扩散??层中的梯度分布，从而提高气体向ＣＬ的扩散度［３？３３］。作为ＭＥＡ的重要组成部??分，ＧＤＬ最重要的功能之一就是将阴阳两极的反应气体均匀地分散到反应区域??同时有效地排水
【参考文献】：
期刊论文
[1]介孔结构Fe/N/C作为质子交换膜燃料电池氧还原催化剂（英文）[J]. 石尉,王宇成,陈驰,杨晓冬,周志有,孙世刚. 催化学报. 2016(07)
本文编号：3526434
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＰＥＭＦＣ分解示意图：（ａ）?ＰＥＭＦＣ单电池；（ｂ）?ＭＥＡ；?（ｃ）双层气体扩散层？??
Ｆｉｇ．?ｉ．２?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ａ?ＰＥＭＦＣ?（Ｉ：?ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ??ｓｅｃｔｉｏｎ；?ＩＩ：?ｏｈｍｉｃ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｓｅｃｔｉｏｎ；?ＩＩＩ：?ｍａｓｓ?ｔｒａｎｓｐｏｒｔ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ?ｓｅｃｔｉｏｎ）??如图１．２所示是典型的ＰＥＭＦＣ的性能曲线图，包括了反应电池电压对于电??流密度变化关系的极化曲线，以及电池功率密度对于电流密度变化关系的功率密??度曲线。对于氢氧ＰＥＭＦＣ，单电池的理论开路电压是１．２３?Ｖ。由于电化学反应??过电位以及欧姆极化和浓差极化的影响，最终的单电池额定工作电压通常为??０．６？０．７Ｖ。图１．２中在每个区域往往存在多种导致电势降低的因素，各个区域是??按照导致电势降低最主要因素来划分的。主要有三个导致电势降低的因素：１、??电化学活化极化，２、欧姆极化，３、传质极化（或称浓差极化）。式１－４表示了燃??料电池的工作电压Ｖｃｅｌｌ和各部分极化现象的关系［３］：??Ｖ?ｃｅｌｌ?＝?Ｆ－Ｔ｜ａＪａ＿ｎａ，ｅ－ｌｌｒ＇ｎｍ，ａ＇Ｔｌｍ，ｃ?（１＿４）??其中化３和１１：１
改性或者开发新的廉价高效的质子交换膜来提高ＰＥＭＦＣ的性能，促进商业化进??程［２４－２６］。??图１．３所示的是气体扩散层在ＭＥＡ中的位置和微观结构，其结构通常由单??层碳基体材料或者一层碳基体和一层微孔层（ＭＰＬ）的双层结构（如图１．１（ｃ）所??示）构成，具有多孔和疏水的特性［２７，２８］。碳基体材料通常采用导电性良好的碳纸??或碳布，ＭＰＬ通常使用导电炭黑和ＰＴＦＥ?（起到粘结剂和疏水的作用）的混合物??负载在碳基体表面制备而成。作为基体部分的碳纸或碳布，其厚度和碳纤维的排??布会影响电池中的水分排放从而在一定程度上决定了电池的性能（例如极限电流??密度）。而ＭＰＬ会降低接触电阻，同时影响ＧＤＬ的毛细压力分布、降低水分??在ＧＤＬ和ＣＬ界面间的饱和度，造成水分在质子交换膜、催化层以及气体扩散??层中的梯度分布，从而提高气体向ＣＬ的扩散度［３？３３］。作为ＭＥＡ的重要组成部??分，ＧＤＬ最重要的功能之一就是将阴阳两极的反应气体均匀地分散到反应区域??同时有效地排水
【参考文献】：
期刊论文
[1]介孔结构Fe/N/C作为质子交换膜燃料电池氧还原催化剂（英文）[J]. 石尉,王宇成,陈驰,杨晓冬,周志有,孙世刚. 催化学报. 2016(07)
本文编号：3526434
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