质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟
发布时间：2020-12-04 08:59
质子交换膜燃料电池的商业化应用迫切要求降低其Pt载量.本文通过Pt/C氧还原电极的动力学模型计算,研究了Pt/C电极中的氧分布、生成电流以及满足实际应用的最小Pt载量.结果表明,燃料电池Pt/C电极,阴极产生严重浓差极化的催化层厚度为40μm;功率密度达到1.4 W·cm-2(2.1 A·cm-2@0.67 V)的电池性能需要3μm左右的Pt/C阴极催化层,阴极Pt载量为0.122 mg·cm-2,即可使膜电极的阴极铂用量低于0.087 g·k W-1.
【文章来源】：电化学. 2016年02期 第129-134页 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Pt/C电极表面的电化学反应动力学模型
第2期李赏等：质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟图2Pt/C电极中氧气分布的不同情况Fig.2DifferentsituationsofoxygendistributioninPt/Celectrode表2Pt/C电极的计算参数Tab.2CalculatedparametersforPt/Celectrode＝csO2nFDeffO2rfi0Lc0O2!"12expαnF2RT!η"tanhLrfi0nFDeffO2Lc0O2!"12expαnF2RT!η"#$$$$$$$$%&’’’’’’’’((8)并采用MATLAB计算c(x)、L*和I的值.1.3参数的确定为简化计算过程，假设传统的Pt/C催化剂所有的Pt纳米颗粒为直径3nm的圆球.如无特殊规定，温度T设定为348.15K.1）体积表面积体积表面积(S*)是指单位体积内的催化剂真实表面积，用表面粗糙因子rf（m2/m2）和电极厚度L的比值来表示，电极的表面粗糙因子定义为电极的真实表面积Sr和电极的几何投影面积S之间的比值，即：S*=rfL(9)对于Pt/C电极，Pt纳米颗粒直径为3nm，Pt载量为0.4mg·cm-2，催化层厚度为10μm，计算得S*为3.73×107m2·m-3.2）交换电流密度氧还原反应在和Nafion接触的Pt/C表面的参比交换电流密度(i0)根据文献[16]中提到的经验公式计算：lgi0=3.507-4001T(10)348.15K时，算得的Pt/C电极的参比交换电流密度为1.725×10-5A·cm-2.3）活化过电势根据文献[17]，电池电压和活化过电位、接触电阻和质子传导引起的欧姆降、以及传质引起的电压降有很大关系.假设燃料电池在0.67V产生2.1A·cm-2的电流，对应于1.4W·cm-2的功率密度.根据文献[17-19]中的数据计算氧还原的活化过电势(η)
电化学2016年图3Pt/C电极催化层中的氧气分布(电极厚度100μm)Fig.3OxygendistributioninPt/Celectrodewithinthecatalystlayerthicknessof100μm不存在浓差极化[13].有效催化层厚度(L*)是指可以发生催化反应的催化层真实厚度.当电极厚度远小于L*时，可以近似的认为电极中不存在浓差极化.当电极厚度大于0.1L*小于2L*时，电极中存在浓差极化，但还有氧气，电极反应还可发生.当电极厚度超过3L*时，可以认为电极中所有的氧分子都被消耗了，此时将产生严重的浓差极化[20].根据方程(7)可以计算出Pt/C电极的L*为20.4μm，当催化层厚度达到2L*，即40.8μm时，浓差极化就比较严重了，这和作者前面的计算结果相一致.燃料电池中的电化学反应能够产生多少电流是最受关注的问题.根据方程(8)的计算结果，图4列出了Pt/C电极的电流密度与电极厚度的关系.从图4中可以看出，Pt/C电极厚度小于40μm时，电极的电流密度随电极厚度的增加而增加，超过40μm时趋向于一个最大值，之后，电流密度不再随电极厚度变化，达到极限电流密度，即传统Pt/C纳米催化剂的催化层厚度不应超过40μm.虽然Pt/C电极的极限电流密度可以达到15A·cm-2，但国家科技部“十三五”重点研发计划研究目标要求膜电极铂用量0.125g·kW-1，放电功率密度为1.4W·cm-2[9]，即在0.67V的电压下需要的电流密度为2.1A·cm-2.因此，将图4中电流密度小于2.1A·cm-2的部分放大列于图5中.从图5中可以看出，产生2.1A·cm-2@0.67V的电量输出（对应于1.4W·cm-2的功率密度）需要的最小电极厚度为3.05μm.根据现在10μm厚的CCM阴极电极Pt载量为0.4mg·cm-2计算，阴极电极厚度降低至3.05μm后的Pt载量为0.122mg·cm-
本文编号：2897322
【文章来源】：电化学. 2016年02期 第129-134页 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
Pt/C电极表面的电化学反应动力学模型
第2期李赏等：质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟图2Pt/C电极中氧气分布的不同情况Fig.2DifferentsituationsofoxygendistributioninPt/Celectrode表2Pt/C电极的计算参数Tab.2CalculatedparametersforPt/Celectrode＝csO2nFDeffO2rfi0Lc0O2!"12expαnF2RT!η"tanhLrfi0nFDeffO2Lc0O2!"12expαnF2RT!η"#$$$$$$$$%&’’’’’’’’((8)并采用MATLAB计算c(x)、L*和I的值.1.3参数的确定为简化计算过程，假设传统的Pt/C催化剂所有的Pt纳米颗粒为直径3nm的圆球.如无特殊规定，温度T设定为348.15K.1）体积表面积体积表面积(S*)是指单位体积内的催化剂真实表面积，用表面粗糙因子rf（m2/m2）和电极厚度L的比值来表示，电极的表面粗糙因子定义为电极的真实表面积Sr和电极的几何投影面积S之间的比值，即：S*=rfL(9)对于Pt/C电极，Pt纳米颗粒直径为3nm，Pt载量为0.4mg·cm-2，催化层厚度为10μm，计算得S*为3.73×107m2·m-3.2）交换电流密度氧还原反应在和Nafion接触的Pt/C表面的参比交换电流密度(i0)根据文献[16]中提到的经验公式计算：lgi0=3.507-4001T(10)348.15K时，算得的Pt/C电极的参比交换电流密度为1.725×10-5A·cm-2.3）活化过电势根据文献[17]，电池电压和活化过电位、接触电阻和质子传导引起的欧姆降、以及传质引起的电压降有很大关系.假设燃料电池在0.67V产生2.1A·cm-2的电流，对应于1.4W·cm-2的功率密度.根据文献[17-19]中的数据计算氧还原的活化过电势(η)
电化学2016年图3Pt/C电极催化层中的氧气分布(电极厚度100μm)Fig.3OxygendistributioninPt/Celectrodewithinthecatalystlayerthicknessof100μm不存在浓差极化[13].有效催化层厚度(L*)是指可以发生催化反应的催化层真实厚度.当电极厚度远小于L*时，可以近似的认为电极中不存在浓差极化.当电极厚度大于0.1L*小于2L*时，电极中存在浓差极化，但还有氧气，电极反应还可发生.当电极厚度超过3L*时，可以认为电极中所有的氧分子都被消耗了，此时将产生严重的浓差极化[20].根据方程(7)可以计算出Pt/C电极的L*为20.4μm，当催化层厚度达到2L*，即40.8μm时，浓差极化就比较严重了，这和作者前面的计算结果相一致.燃料电池中的电化学反应能够产生多少电流是最受关注的问题.根据方程(8)的计算结果，图4列出了Pt/C电极的电流密度与电极厚度的关系.从图4中可以看出，Pt/C电极厚度小于40μm时，电极的电流密度随电极厚度的增加而增加，超过40μm时趋向于一个最大值，之后，电流密度不再随电极厚度变化，达到极限电流密度，即传统Pt/C纳米催化剂的催化层厚度不应超过40μm.虽然Pt/C电极的极限电流密度可以达到15A·cm-2，但国家科技部“十三五”重点研发计划研究目标要求膜电极铂用量0.125g·kW-1，放电功率密度为1.4W·cm-2[9]，即在0.67V的电压下需要的电流密度为2.1A·cm-2.因此，将图4中电流密度小于2.1A·cm-2的部分放大列于图5中.从图5中可以看出，产生2.1A·cm-2@0.67V的电量输出（对应于1.4W·cm-2的功率密度）需要的最小电极厚度为3.05μm.根据现在10μm厚的CCM阴极电极Pt载量为0.4mg·cm-2计算，阴极电极厚度降低至3.05μm后的Pt载量为0.122mg·cm-
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