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直接硼氢化钠燃料电池阳极催化剂及膜电极研究

王广进  
【摘要】: 直接硼氢化钠燃料电池(DSBFC)作为一种新型的燃料电池,具有理论电压高(1.64 V)、能量密度大、可采用非贵金属作为催化剂等优点,近几年受到广泛关注。本论文从阳极催化剂的制备、膜电极的制备工艺和电池运行条件等方面做了系统的研究,并提出了一种提高燃料库仑效率的方法。 采用浸渍还原法制备了不同摩尔比PtNi/C、AuNi/C、AuPt/C二元合金催化剂。EDAX结果表明各合金催化剂的金属载量和摩尔比均基本接近理论值。循环伏安和稳态极化的测试结果表明:三种二元合金催化剂的摩尔比均为7:3时催化性能最好,PtNi(7:3)/C在三种最优二元催化剂中性能最佳。采用XRD、XPS等手段深入分析了合金催化剂性能提高的机制。XPS结果发现,由于Ni的加入改变了Pt的电子状态,零价Pt的含量提高,这可能是其性能提高的原因之一。对于AuPt二元催化剂,Pt的加入可以使开路电势和峰值电位明显负移,峰值电流也有所提高。总的来看,合金化可以提高二元催化剂的性能,通过适当的热处理实现了这一目的。 对膜电极制备工艺的研究发现,阳极催化剂采用PtNi(7:3)/C时电池性能最好;催化剂的载量提高有利于性能的提高,但载量过高会增加电极厚度对燃料传输不利,最优载量为1 mg·cm-2;Nafion的加入在起到粘结固定催化剂的同时会牺牲部分活性位置,10 mass %的Nafion含量较为适宜;阳极扩散层中PTFE的含量不同可得到不同的憎水性,从而调节扩散层中憎水和亲水孔的比例,结果发现PTFE的含量为5 mass %时膜电极性能最好;扩散层碳粉起到整平的作用,为催化剂提供安全的工作场所,但碳粉载量过高反而使扩散层粗糙度增大,有裂缝出现,另外碳粉过厚对物料传输不利,最后得出碳粉最佳载量为1 mg·cm-2;电解质膜仍然以Nafion117膜最为适宜,AEM性能较差;对电解质膜预先进行Na+化处理有利于缩短膜电极的活化时间,同时提高膜电极的放电稳定性。在最佳制备工艺条件下电池最大功率密度分别达到25.2 mW·cm-2(25℃)和54.8 mW·cm-2(60℃)。 研究发现运行温度提高则电池性能大幅度增大,但实际应用时被动式燃料电池的工作温度不宜超过60℃;阳极燃料NaBH4的浓度的提高在一定程度上对提高电池性能有利,但浓度过高时,因为燃料的渗透加重了阴极的极化,而且浓度高会导致燃料库仑效率下降,研究发现NaBH4的浓度为1.0 mol·L-1时电池性能最好;支持电解质NaOH既为电池提供电荷载体,又是NaBH4的稳定剂,同时还参与阳极电极反应,但NaOH浓度过高会导致燃料粘度过大反而使电池性能下降。结果表明:NaOH浓度为6.0 mol·L-1时为最佳;阴极的工作条件也会对电池的性能产生较大影响,因为在电池中阳极极化较弱,阴极极化更为严重,采用纯氧的电池性能优于直接用空气,气体的加湿对电池性能有轻微改善;在采用阳离子膜作为电解质膜时,阴极会有NaOH的累积,及时清除阴极产生的NaOH可以改善电池长时间放电性能。 为解决DSBFC燃料库仑效率低的问题,我们设计制备了一种新型复合膜电极,其阳极包含上下两个区域,可以使BH4-和H2同时在这两部分区域发生氧化反应,适当调整两部分区域的面积比例,可以在提高电池性能的同时使燃料库仑效率达到100%,目前条件下得到的最佳面积比例为3:1。


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