燃料电池额定电势下氧还原催化剂活性指示符研究
发布时间：2021-10-22 01:25
高成本是阻碍质子交换膜燃料电池商业化发展的重大瓶颈,而其中Pt基催化剂的使用,极大地提高了燃料电池的成本,因此发展低Pt载量高性能的膜电极成为趋势。但是随着阴极Pt载量的降低,活化过电势会急剧增大,这就需要具有更高氧还原活性的催化剂。目前催化剂氧还原活性的指示符,均是在较高电势下（0.9V）表征的,而燃料电池一般在0.8V-0.6V下工作,如何表征实际工况下催化剂氧还原活性是研制和筛选新型催化剂的关键课题。本文提出了采用电荷传输阻抗（Rct）,来评价催化剂在额定电势区间的氧还原活性。从理论上,系统地给出了电荷传输阻抗的完整数学定义式;并且基于该理论,通过测量商业Pt/C催化剂在0.68V-0.92V电势区间的Rct,推算出了塔菲尔斜率,从而验证了Rct在额定电势区间作为氧还原活性指示符的合理性与可行性。进一步重新评估了商业PtxCoy/C合金催化剂的氧还原活性,并与商业Pt/C催化剂进行对比分析。此外,本文还研究分析了商业Pt/C催化剂Rct在耐久性实验过程中的变化情况,以此来评价催化剂活性的衰退。得出以下结论:1.理论上,电荷传输阻抗可与交...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211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】：
质子交换膜燃料电池结构示意图
4很大影响。因为催化层的复杂性，多相性，还包含昂贵的Pt基催化剂，并且稳定性差。目前质子交换膜燃料电池商业化最大的障碍，即高成本和低耐久性，均与催化层关系密切。燃料电池中的电化学反应是一个三相反应，涉及到反应气体（氢气和氧气，）传导质子的聚合物（如Nafion），以及电子导体（如碳载的Pt催化剂）。所以，在进行催化层设计时，要最大化地延伸三相界面，提供充足的反应区域，从而优化电池性能。催化层的三相反应界面如图1-2所示，每个活性位点需要同时拥有反应气体，质子导体和电子导体。此外，离子聚合物要有一定的水含量，从而保证较高的质子传导率，而过多的反应生成的产物水也需要及时排出。图1-2三相反应界面示意图Fig.1-2Schematicofathree-phasereactionboundary[34].1.2.3燃料电池气体扩散层在质子交换膜燃料电池单电池中，有两片气体扩散层，分别位于MEA的两侧。气体扩散层不但可以支撑催化层，同时也为反应气体的传输和产物水的排出提供通道。并且与流场板接触，构成了电子的通路。一般来说，GDL包括两部分：支撑层或者称气体扩散媒介（GDM），以及微孔层（MPL）。常用的GDMs是碳纤维的材料，如碳纸和碳布，具有很高的孔隙率（≥70%）和良好的导电率[35]。图1-3是碳纸和碳布的扫描电镜图。GDMs通常会进行预处理来调节其亲疏水性。比如将碳纸浸入PTFE树脂中来增加其疏水性。
5图1-3两种气体扩散媒介基质的扫描电子显微镜图，纤维直径均在7μm左右（a）碳纤维碳纸，不掺杂PTFE，标尺100μm（b）碳布，标尺600μmFig.1-3SEMmicrographsoftwogas-diffusion-mediumsubstrates,bothwithapproximately7μmdiameterfibers.(a)Carbon-fiberpaper,Spectracorp2050A,withnoPTFE.Thereferencebarindicates100μm.(b)Carboncloth,TextronAvcarb1071HCB.Thereferencebarindicates600μm[35].MPL在提高GDL性能方面也扮演着重要的角色。其制备过程如下：一定量的碳粉，溶剂（如异丙醇）和粘结剂（如PTFE）彻底混合，形成悬浊液，将其涂在GDM上时，即形成一个薄的MPL层。MPL可以调节GDM的孔隙率，从而改善了GDL中的水和反应气体的传输。MPL的组分，包括碳粉和PTFE，会显著影响GDL性能，最终影响燃料电池的性能[36-38]。研究证明MPL中含有15%-20%PTFE时具有最佳性能[39]。碳粉的性质与载量也会影响MPL中的PTFE含量[38,39]。为了增强液态水和反应气体的传输，目前提出了一种双官能团的MPL，其碳粉是由80wt.%的乙炔黑和20wt.%BP2000碳粉组成的复合碳[40]。1.2.4燃料电池固体电解质膜（质子交换膜）膜作为质子交换膜燃料电池的关键组分，不仅起着传导质子的作用，更是隔开了阴极与阳极。最常使用的固体电解质膜是全氟磺酸膜，比如Nafion和Flemion。Nafion是DuPont公司开发的磺化的四氟乙烯基高分子化合物。其结构主要包含三类基团：类似四氟乙烯的主链，-O-CF2-CF-O-CF2-CF2-的支链和磺酸基团。具体如图1-4所示。
本文编号：3450106
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211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】：
质子交换膜燃料电池结构示意图
4很大影响。因为催化层的复杂性，多相性，还包含昂贵的Pt基催化剂，并且稳定性差。目前质子交换膜燃料电池商业化最大的障碍，即高成本和低耐久性，均与催化层关系密切。燃料电池中的电化学反应是一个三相反应，涉及到反应气体（氢气和氧气，）传导质子的聚合物（如Nafion），以及电子导体（如碳载的Pt催化剂）。所以，在进行催化层设计时，要最大化地延伸三相界面，提供充足的反应区域，从而优化电池性能。催化层的三相反应界面如图1-2所示，每个活性位点需要同时拥有反应气体，质子导体和电子导体。此外，离子聚合物要有一定的水含量，从而保证较高的质子传导率，而过多的反应生成的产物水也需要及时排出。图1-2三相反应界面示意图Fig.1-2Schematicofathree-phasereactionboundary[34].1.2.3燃料电池气体扩散层在质子交换膜燃料电池单电池中，有两片气体扩散层，分别位于MEA的两侧。气体扩散层不但可以支撑催化层，同时也为反应气体的传输和产物水的排出提供通道。并且与流场板接触，构成了电子的通路。一般来说，GDL包括两部分：支撑层或者称气体扩散媒介（GDM），以及微孔层（MPL）。常用的GDMs是碳纤维的材料，如碳纸和碳布，具有很高的孔隙率（≥70%）和良好的导电率[35]。图1-3是碳纸和碳布的扫描电镜图。GDMs通常会进行预处理来调节其亲疏水性。比如将碳纸浸入PTFE树脂中来增加其疏水性。
5图1-3两种气体扩散媒介基质的扫描电子显微镜图，纤维直径均在7μm左右（a）碳纤维碳纸，不掺杂PTFE，标尺100μm（b）碳布，标尺600μmFig.1-3SEMmicrographsoftwogas-diffusion-mediumsubstrates,bothwithapproximately7μmdiameterfibers.(a)Carbon-fiberpaper,Spectracorp2050A,withnoPTFE.Thereferencebarindicates100μm.(b)Carboncloth,TextronAvcarb1071HCB.Thereferencebarindicates600μm[35].MPL在提高GDL性能方面也扮演着重要的角色。其制备过程如下：一定量的碳粉，溶剂（如异丙醇）和粘结剂（如PTFE）彻底混合，形成悬浊液，将其涂在GDM上时，即形成一个薄的MPL层。MPL可以调节GDM的孔隙率，从而改善了GDL中的水和反应气体的传输。MPL的组分，包括碳粉和PTFE，会显著影响GDL性能，最终影响燃料电池的性能[36-38]。研究证明MPL中含有15%-20%PTFE时具有最佳性能[39]。碳粉的性质与载量也会影响MPL中的PTFE含量[38,39]。为了增强液态水和反应气体的传输，目前提出了一种双官能团的MPL，其碳粉是由80wt.%的乙炔黑和20wt.%BP2000碳粉组成的复合碳[40]。1.2.4燃料电池固体电解质膜（质子交换膜）膜作为质子交换膜燃料电池的关键组分，不仅起着传导质子的作用，更是隔开了阴极与阳极。最常使用的固体电解质膜是全氟磺酸膜，比如Nafion和Flemion。Nafion是DuPont公司开发的磺化的四氟乙烯基高分子化合物。其结构主要包含三类基团：类似四氟乙烯的主链，-O-CF2-CF-O-CF2-CF2-的支链和磺酸基团。具体如图1-4所示。
本文编号：3450106
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