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摘要
燃料电池是一种将燃料反应的化学能转化为电能的装置,可分为氢氧质子交换膜燃料电池(PEMFCs)、直接甲醇燃料电池(DMFCs)和直接甲酸燃料电池等.与PEMFCs相比,DMFCs以甲醇为燃料,燃料的储存运输和电池操作运行具有较高的安全性,所以近年来受到人们的广泛关注.膜电极组件(MEA)是DMFCs的核心部分,由气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)三部分组成.GDL用于提高电池传质能力,并同时作为MEA的集流体.PEM主要用于隔离燃料和氧气,进行质子传导.CL是MEA中的主要组成部分,为电化学反应提供场所.催化层由催化剂,质子传输介质和电子传输介质组成.通常,阳极催化剂采用Pt Ru/C,阴极采用Pt/C,质子传输介质为全氟磺酸树脂,如Nafion.CL的结构对电池性能有直接的影响,因此人们对CL的结构进行了详细的研究,并通过调节CL亲水性能、梯度催化层的结构设计等优化其结构.研究表明,当CL中Nafion含量为33 wt.%,PEMFCs具有最佳的电池性能.DMFCs与PEMFCs对MEA要求不同,其阴极更容易发生水淹现象.本文结合非接触式三维光学轮廓仪、接触角测试系统和电化学测试对阴极不同Nafion含量的膜电极进行了表面形貌、亲水性、循环伏安和DMFC性能测试.本文利用喷涂法制备了GDE,然后与Nafion115热压形成MEA.由三维表面形貌图可以看出,随着催化层中Nafion含量的增加,GDE表面的粗糙度变大,尤其是N35和N45.理论上,表面粗糙有利于Pt的暴露和传质扩散,但是其电池性能并未与粗糙度呈现出正相关的关系,因为Nafion含量高于35 wt.%,Pt被Nafion过度包裹,抑制了O2至催化剂表面的传输,且随着Nafion含量由15 wt.%增加至45 wt.%,其GDE表面的接触角由166.8o减至143.1o,说明CL的亲水性增强,易导致阴极产生的水无法及时排出,从而造成阴极水淹现象.从不同Nafion含量制备MEA的CV图可以看出,随着Nafion含量的增加,Pt的电化学活性面积(ESA)增加.当Nafion含量较少时,Nafion无法对全部Pt纳米粒子(NPs)形成包覆或无法形成连贯的质子传输通道,从而导致大部分的Pt NPs催化活性较低变为无效Pt.而有效Pt NPs要求与连贯的质子传输通道相连接.当Nafion含量高于35 wt.%时,其ESA基本保持不变,因为Pt载量一定,从而限制了ESA,此时达到该载量条件下的极限ESA.但是电池极化曲线表明,30wt.%Nafion含量的MEA具有最佳的电池性能.因为有效Pt NPs不一定是高效的,当他们全部被Nafion包裹后,O2只能依靠溶解在Nafion中才可以到达催化剂表面,从而阻碍传质.只有Pt NPs表面包裹和暴露面积达到一定比例时才变得高效.所以当Nafion含量低于30 wt.%时,主要由质子传输通道导致的有效Pt NPs较少;当Nafion含量高于30 wt.%时,出现Nafion过度包裹Pt NPs,阻碍O2传质.因此,Nafion含量30 wt.%时,Pt的包裹面积和裸露面积达到所研究的最佳状态.
- 出版日期2016
- 单位化学化工学院; 济南大学; 中国科学院长春应用化学研究所; 电分析化学国家重点实验室; 中国科学院大学
