高温质子交换膜燃料电池铂/碳纳米纤维催化层的制备及其性能研究

基于聚苯并咪唑(PBI)的高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC),具有燃料纯度要求低、水热管理简单、成本相对低廉、系统效率高等优点,是作为分布式能源系统和移动系统的理想电源之一。然而,高温质子交换膜燃料电池目前还处于初步研发阶段,其电池性能和耐久性还不能满足大规模商业化的要求。此外,为了弱化磷酸对催化剂的毒化作用以获得较好的电池性能,目前催化层中使用的贵金属铂载量相对较高(商业电极中约为1 mg_(pt)/cm~2),大幅增加了电池成本。传统的催化层一般由催化剂颗粒密实堆积而成,并且需加入粘合剂以维持其结构的稳定,因此存在反应物供给困难、深层催化剂利用率偏低等问题。与传统方法制备的颗粒堆积型催化层不同,三维网状结构的纳米纤维催化层(NFCL)具有如下特点:

      (1)无需额外添加不具有质子传导能力的粘合剂,从而提供更多的反应物传输通道;

      (2)三维网状结构可提供高效的电子传输通道,纤维堆叠而成的大孔则有利于气体的快速传递;

       (3)纳米纤维骨架有助于分散催化剂颗粒,避免其形成大团聚体。因此,为了提高催化剂的利用率以达到降低催化剂载量的目的,本文利用超声喷涂和静电纺丝技术制备基于纳米纤维的自支撑催化层,并结合物理和化学结构表征,研究NFCL的电池性能特性,为今后催化层的制备工艺及结构设计提供一定的指导。主要研究内容包括:

       (1)利用超声喷涂技术制备低载量的自支撑NFCL,发现纤维直径的大小对NFCL的结构及电池性能有重要影响:纤维直径较小时纤维堆叠密集,催化剂的分散性差,催化剂颗粒大部分分散碳纳米纤维载体的表面。直径较大时纤维堆叠稀疏,催化剂则易进入孔隙深处且分散性较好。其中,以9%聚丙烯腈(PAN)制备的自支撑纳米催化层具有较好的空间结构和电池性能,最大功率密度可达300.81 mW/cm~2(阴极:0.1 mg_(Pt)/cm~2,阳极0.3 mg_(Pt)/cm~2),优于相同载量下传统颗粒堆积型催化层的性能。

(2)利用静电纺丝技术制备自支撑NFCL,三维网状结构有利于电子和气体传输,制备的NFCL催化剂在纤维表面分散均匀,比表面可达218.75 m~2/g,为电化学反应提供了更多活性位点。将其作为HT-PEMFC的阴极和阳极时均有良好的稳定性(在20 h的运行后电池基本保持平稳)。其中在0.483 mg_(Pt)/cm~2时最高功率密度可达238mW/cm~2,尽管与商业化电池性能(1 mg_(Pt)/cm~2,500 mW/cm~2)相比仍有一定距离,但考虑到本文使用的催化剂载量较低,该方法制备的纳米纤维催化层仍具有一定的优势,可为催化层的制备和结构优化提供相关指导。

一种质子交换膜燃料电池的膜电极制备方法

Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池用膜电极三合一，具体地说是一种质子交换膜燃料电池的膜电极制备方法，以有机多孔膜为电极支撑体，多孔膜厚度为1～20μm，孔隙率为50％～99％，将催化剂物料直接粘附到多孔膜上，制备电极催化层；将此催化层与电解质膜通过热压组合成为膜电极组件。本发明方法制备的MEA催化剂利用率高，活性好，具有更好的强度，便于大规模连续生产。

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