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质子交换膜燃料电池电催化剂和阴极电极结构研究

张建鲁  
【摘要】:电催化剂是质子交换膜燃料电池(PEMFC) 的关键材料之一,目前燃料电池阴极氧还原催化剂和阳极抗CO 催化剂主要是Pt/C 催化剂和PtRu/C 催化剂。但是这类催化剂成本过高,是制约质子交换膜燃料电池商业化的重要因素之一。膜电极三合一(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件,而现有的各种工艺所制备的MEA 其电化学三相反应区没有得到有效扩展,电极中催化剂的利用率还比较低,电极结构有待于进一步优化。因此,本文选择燃料电池电催化剂和电极结构作为研究对象,开发新型的高性能电催化剂,同时优化电极结构,探索新的电极制备方法,提高电池性能,以促进PEMFC 的商业化。 论文开发了一种Nafion 部分分解的电极催化层,该催化层中部分分解后失去了磺酸根而具有憎水性的Nafion 充当憎水剂、未分解的具有亲水性的Nafion充当粘结剂和质子导体,形成了亲水结构和憎水结构分布均匀、立体化的质子交换膜燃料电池电极催化层。 本文成功地将初湿法用于制备质子交换膜燃料电池电催化剂,采用该法制备了Pt-M/C (M=Fe, Co) 氧还原催化剂和PtRu/C 抗CO 催化剂并对其进行了单电池测试和XRD、TEM、RDE 等表征,当Pt 与Ru 原子比为1:1 时PtRu/C 催化剂的抗CO 性能最好。 首次成功地将Au作为一种有效的活性组份用于质子交换膜燃料电池阳极抗CO催化剂,并采用初湿法制备了PtAu-Fe_2O_3/C催化剂,取得了较好的抗CO效果。初湿法制备PtAu-Fe_2O_3/C催化剂Au的最佳含量为0.5 wt.%,在200℃、400℃和650℃的实验温度中,400℃热处理的催化剂性能最好。


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