质子交换膜燃料电池电极介尺度多相反应过程研究

To improve the performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with low platinum loading, this project will focus on the process in membrane electrode assembly (MEA). In the microstructure of MEA, the active surface of electrocatalyst, proton conductor, three phase interface, have important impact on the transport，absorption, desorption and electrochemical reaction process. Model of the oriented MEA will be proposed. The preparation method of the electrocatalyst assembly on the oriented MEA microstructure will be investigated. By this way, the utilization of precious metal catalyst will be improved. The high efficient mass transfer passages and reactive interface will be constructed for PEMFC high current density operation. Microstructure characterization, fuel cell test as well as mathematical modeling will give the information of the prepared oriented MEA with low precious catalyst loading. High performance, long durability and stability can be expected for the new MEA developed in the project.

为提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能，降低PEMFC中贵金属铂的用量，本项目拟对膜电极(MEA)中的多组分反应与传递过程进行深入研究。针对MEA介尺度结构,研究催化剂活性表面和质子导体表面、气/液/固相界面中，反应气体、生成水的多组分传递、吸/脱附、电化学反应的耦合过程，构筑介尺度结构有序化的MEA模型并探索有序结构上的催化剂组装方法，以提高贵金属催化剂的利用率， 建立高电流密度运行条件下的高效传质通道与电化学反应界面。本项目拟通过实验表征、微观/宏观分析和集成验证试验等，通过现代电化学方法和现代谱学技术，结合模型计算以及电池性能，阐明PEMFC有序低Pt膜电极的微结构与电性能的内在联系，并在其指导下获得具有稳定有序微结构的低Pt膜电极制备方案，改善电化学反应的“三相界面”，提高膜电极的性能、稳定性及使用寿命。实现MEA介尺度结构分析与构筑、传质过程与电化学反应过程研究的突破与创新。

燃料电池具有能量转换效率高、比能量高、环境友好等特点，是一种理想化的能量转换装置。膜电极是燃料电池的核心部件，其材料与微观结构直接影响 PEMFC 性能和稳定性。改善 MEA 材料与结构是降低燃料电池极化、 提高催化剂利用率、 降低电池成本的有效方法。研究发现电极的有序有助于降低催化剂的担载量，减小传质极化，提升电池性能。.针对TNTs导电性差的问题，我们采用H2还原的方法使其电导率提升了约一个数量级。通过PECVD技术掺杂C进一步提高了TNTs的电导率 ，H2/O2条件下电极最大功率密度为305 mW cm-2，质量比功率为6.1 kWgPt -1。.水热法在碳纸表面生长了TiO2纳米棒阵列，CVD在其表面包覆了C层。担载了Pt催化剂过后，形成Pt-TiO2-C的薄层电极，在低Pt担量（28.67 μg cm-2）， 最高功率密度达到342.6 mW cm-2。.采用β-FeOOH 和 Co-OH-CO3 两种有序阵列结构作为牺牲载体制备自支撑电极，H2/O2 条件下， 22 μg cm-2的 FeOOH-Pt-1 电极组装的电池最高功率密度为 366 mW cm-2，质量比功率 16.6 kW gPt -1，Co-OH-CO3 有序结构制备的 H2/O2 条件下该纳米薄层催化层的最高功率密度为 475 mW cm-2， Pt 用量为 11.0 kW gPt -1。.将TiO2纳米棒氮化提升电导率，担载Pt后发现.基于 PtPdCo-TiN 薄层电极，在低 Pt 担量（66.7 μg cm-2），最高功率密度达到 390.2 mW cm-2。.电聚合制备制备聚吡咯纳米线阵列，转印至Nafion膜两侧以后，电极在H2-O2环境下最大功率密度可达762.1 mW cm-2。.以Co-OH-CO3作为牺牲载体制备裂管式的PtCo合金有序催化层。Pt载量为52.7 μg cm-2，电极最大功率密度可达841 mW cm-2。.基于有序超薄催化层建立了介尺度结构有序的膜电极过程中的纳米/微米尺度的二维模型，模型计算结果与实验测量值相吻合。在模型分析中，发现随着阴极催化层厚度减薄，电池性能逐渐上升，厚度减小到 100 nm后电池性能基本保持不变。模拟计算发现，在本实验研究的有序超薄催化层内 ，3 S/cm 的电导率可以保证催化层内的电子有效传递。