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质子交换膜燃料电池膜电极的研究

张学伟  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池采用贵金属铂作催化剂,高昂的成本限制了它的产业化应用。本文以质子交换膜燃料电池的核心组件——膜电极作为研究对象,研究了燃料电池单体制备、操作过程等影响因素。通过对膜电极的三个主要组成部分:质子交换膜、气体扩散层和催化层的深入研究,提出了双催化层结构的电极,降低了贵金属铂的用量,同时提高了燃料电池的性能。 膜电极的电化学性能采用极化曲线进行了表征,并采用非线性最小二乘法对部分数据进行拟合及分析;操作条件及材料对膜电极性能的影响采用交流阻抗谱表征,并对实验数据进行拟合及分析,实验研究了采用PTFE和Nafion作为粘结剂的催化层性能,并用扫描电镜观察膜电极(包括支撑层、微多孔层和催化层)的微观形貌并进行分析。 对膜电极的制备及操作过程条件进行了研究。研究表明,在130℃和8MPa的条件下,热压120s后得到的膜电极内阻降低到0.4??cm-2。单体运行的装配力矩在3N?m为宜。在1atm下和运行温度低于65℃时,反应气体利用率随流量的增加而降低,随温度升高而升高;运行温度超过65℃时,氧气的利用率降低。考虑温度与电池内阻的关系,电池操作温度选择65℃为宜。膜电极在常压下的活化时,温度为50℃时采用变电流活化,活化10h后的性能稳定。 对膜的组件的三个组成部分进行研究表明:质子交换膜厚度越薄,反应过程中产生质子经过膜的传递阻力越小。在实验温度范围内,不同厚度膜制备的膜电极质子传递能力,都随温度升高而提高。气体扩散层包括支撑层和微多孔层,支撑层厚度降低有利于气体传质。微多孔层采用碳材料XC-72和20wt.%的PTFE的混合物,其载量为2mg·cm-2时,膜电极性能达到0.35W·cm-2。当微多孔层的碳材料采用炭黑XC-72时,气体传质阻力小,在电化学极化区性能较好;采用炭黑BP2000时,液体传质阻力小,在浓差极化区性能较好;两种炭黑混合制备气体扩散层,由于大孔和小孔数目的减少,膜电极性能下降。催化层的制备过程中,喷涂法制备催化层的性能好于丝网印刷。当憎水电极的催化层PTFE含量为25wt.%,Nafion溶液的载量为1.5mg·cm-2时,制备膜电极的性能最好。当亲水型电极的催化层Nafion含量为30wt.%、催化剂载量为0.2mg·cm-2的膜电极性能达到0.5W·cm-2。催化层只采用PTFE或者Nafion粘合剂,催化层内存在反应活性层和非反应活性层,电化学反应由活性层向非活性层梯度递减。 提出一种双催化层电极结构,包含内外两个催化层。内催化层是亲水结构,采用Nafion作为粘结剂;外催化层是憎水结构,采用PTFE作为催化剂。内外两催化层的交接处在热压过程中形成一个过渡层,反应集中在过渡层内发生。外催化层中PTFE和内催化层Nafion形成相反的梯度分布,有利于反应进行。铂载量均为0.3mg·cm-2时,电流密度1A·cm-2时,双催化层电极性能比憎水电极和亲水电极分别提高了37.2%和20.4%。采用两组铂载量为0.2mg·cm-2双催化层电极,考察Nafion分布的对膜电极性能影响。提高内催化层的Nafion含量,质子传递阻力降低,膜电极在浓差扩散阶段的性能提高;将内外催化层中间的再铸膜含量降低后,膜电极性能由0.64W·cm-2提高到0.77W·cm-2。在双催化层内外层催化剂载总量相同,改变内外催化层中催化剂的分布比例,得到阴极反应中质子传质阻力要大于气体传质,是氧还原反应的控制步骤。 本研究将氢氧燃料电池的催化剂铂载量下降到0.2mg·cm-2,膜电极的峰值功率提高到0.7W·cm-2,在降低膜电极制造成本的同时提高了膜电极性能。


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