低Pt膜电极衰减机理及高效率气液传导研究

Degradation principle of Low Pt loading membrane electrode assembly (MEA) and high efficiency gas/liquid diffusion process will be researched in this subject. By electrochemical method (such as electrochemical impedance spectra), the ionic conduction in catalyst layer and interface between catalyst layer and membrane will be analyzed. MEA with ordered structure which benefits for ionic conduction and three phase boundaries (TPB) will be investigated. Through the analysis of reactive character and active region of MEA under different current densities, effect of electrode structure on gas/liquid diffusion process will be studied and high efficiency gas/liquid diffusion will be realized. Further, adopting accelerated stress test and model research, the reactive character and degradation principle of low Pt loading MEA will be investigated.

本课题将开展质子交换膜燃料电池低Pt膜电极的衰减机理和高效气液传输的相关研究。通过电化学阻抗等常规测试手段，分析膜电极催化层内部，以及催化层/膜界面上的离子传导过程，研究有利于提高离子传递过程的有序化结构膜电极，进而改善电极的三相界面。通过分析膜电极在不同电流下的反应特性，以及催化层中反应发生的活性区域，考察电极结构对气液传输的影响，进而实现电极的高效气液传输。采用加速实验方法，结合模型研究，考察低Pt膜电极的反应特性和衰减机理。

膜电极中的电化学反应是一个包括了气体、液体的物质传输，电子、质子在材料表面上的物理传导等复杂机制的过程，其中高效的气液传输是决定膜电极反应效率的关键。而随着Pt担量的降低，膜电极中气液传输过程必然也发生变化。本项目研究了膜电极中的催化层、微孔层、支撑层等多级结构的特性对电极气液传输过程的影响机制，并初步的分析了Pt担量降低后，膜电极性能发生衰减的规律。为了避免扩散层与催化层之间界面处液态水的累积，将微孔层直接喷涂到催化层表面，并研究了膜电极输出性能的变化；为了改善膜电极中气液分配的均一性，设计了憎水性梯度分布的微孔层结构，即提高电池入口处微孔层的亲水性，提高电池出口处微孔层的憎水性，进而改善了电极运行的稳定性。为了改善电极催化层中的气液传输过程，提高了靠近膜一侧催化层中离子交换树脂的含量，降低靠近扩散层一侧离子交换树脂的含量，形成了孔径梯度和离子传导率的梯度。为了避免液态水在炭纸中的累积，进而减小气体传输阻力，设计优化了支撑层中憎水孔的分布均一性。进一步利用有序化的TiO2阵列作为载体，实现了有序化结构膜电极催化层的制备工艺，并采用有序化结构和传统结构膜电极的制备方法分别制备了低Pt催化层，其中利用静电喷涂法制备了传统结构的低Pt催化层。从不同担量的电极性能对比来看，随着Pt担量降低，催化层减薄，会给电极的传质极化区带来衰减。在下一步的拟开展的工作当中，有序化结构的膜电极性能还有待改进，主要是载体的导电性以及超薄催化层中的离子传导性改进。此外，针对低Pt催化层的衰减机理还需要更进一步的分析，探明不同Pt密度、不同扩散层、以及不同催化层结构下，低Pt电极的衰减规律。