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SPE电解池和再生燃料电池膜电极研究

张扬健  
【摘要】: 固体聚合物电解质(SPE)电解池无碱电解,安全,电解效率高,使用寿命长,产氢纯度高,应用范围广泛。再生燃料电池(RFC)具有较高的比能量及比功率,是一种具有广阔发展前途的新型储能电池。SPE电解池和RFC的核心技术都在于催化剂和膜电极(MEA)的研究与开发。本文将研究SPE电解池和RFC氧电极催化剂体系和开发新型的膜电极一体化工艺,以增大催化层和膜电极接触面积,降低催化剂负载量,提高SPE电解池和RFC的性能。 用改进的Adams方法方便快捷地合成了2~3 nm的IrO_2和IrO_2-SnO_2复合物,利用XRD、TEM和XPS等进行表征,结果表明IrO_2-SnO_2复合物中IrO_2没有发生表面富集现象。合成的IrO_2性能稳定且析氧催化活性良好。 本文首次利用新型的催化剂直接涂膜技术(CCM)制备SPE电解池MEA,通过交流阻抗和电解性能测试表明该方法能降低膜和催化层的接触电阻,增大膜和催化层接触面积,改善SPE电解池性能,并且不降低MEA强度。Pt含量1mg/cm~2,IrO_2含量2mg/cm~2,在80℃、常压和1A/cm2下,改进CCM工艺、传统喷涂法CCM工艺、转印法、机械热压法和化学镀法制备的MEA电解电压分别为1.60V、1.66V、1.67V、1.7V和1.81V。在80℃和2A/cm~2下电解,改性后的MEA电解电压为1.72V,比改性前的MEA低0.09V,比最新文献报道CCM法制备的电解池电解电压也低0.09 V。对新型的CCM制备工艺进行了优化,结果表明:Na+化和玻璃化处理有利于提高电解稳定性;催化层中Nafion含量以30wt%为宜;加入草酸铵造孔剂对电解性能没有影响;使用较薄的Nafion膜电解性能得到提高。 本文还考察了Ni~(2+)、Cu~(2+)、Ca~(2+)和Mg~(2+)等杂离子对电解池性能的影响。Ni~(2+)、Cu~(2+)迁移到阴极并沉积为金属,部分覆盖了阴极催化剂表面,减少了反应活性位,降低催化活性,从而降低了电解池性能。Ca~(2+)和Mg~(2+)与Nafion阳离子交换位紧密结合并覆盖催化剂将大大降低电解池性能。 本文还利用胶体沉积法制备RuO_2-IrO_2/Pt双功能氧电极催化剂并初步探索了RFC膜电极制备工艺。结果发现,胶体沉积法制备RuO_2-IrO_2/Pt催化剂能够使RuO_2-IrO_2很好地分散并沉积在Pt黑上。利用沉积法制备的双功能氧电极催化剂组装RFC,在燃料电池模式和电解模式下性能良好,循环稳定性较好。


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