基于超声喷涂法制备极低铂载量 PEMFC 膜电极研究

当今社会，能源与环境问题越来越成为人们关注的焦点。传统的化石能源被不断 开采与消耗，既大大污染了环境又因其不可再生性而引起能源危机，甚至造成列国间 爆发战争。能源是社会持续发展的动力和源泉，开发清洁和可再生的能源技术是当务 之急。质子交换膜燃料电池在新能源领域具有一定的优势∶不受卡诺循环限制，能量 转换率高;产物为水，清洁环保;工作温度低;寿命长;稳定性好等。这种电池在航 天，军事装备，汽车，发电站等方面有广阔的前景。因而，质子交换膜燃料电池成为 各国学者研究的热点。目前，限制其商业化的主要障碍是成本过高，可以从新型催化 剂的合成和膜电极制备工艺的优化两个方面进行提高，目的都是降低催化剂铂的用量 来降低膜电极生产成本。 本文主要从膜电极制备工艺的优化方面进行研究。超声喷涂技术，在制备膜电极 气体扩散层和催化剂层时能够对浆料进行二次分散，在最佳喷涂工艺参数下来保证喷 涂薄层的均匀性和颗粒分散性。在此基础上，确定了膜电极气体扩散层的最佳碳载量 和最优催化剂配比。气体扩散层的最佳碳载量为1.5和 2.0倍标准碳载量，在此厚度 下能够保证催化剂浆料的附着和反应过程中的传质能够顺利进行。催化剂浆料最优配 比为 30??准固含量，此种配方能够使得催化剂颗粒高度分散，形成的催化层具有较 大的活性反应区面积，从而提高铂利用率。 本文在较为成熟的制备工艺条件下成功制备出性能高铂载量极低的膜电极。当阳 极和阴极铂载量为0.05和0.15 mgcm2时，在50℃且两极气体不加湿的测试条件下， 膜电极最高功率密度可达 464 mWcm2，单位质量铂最高比功率为3.09 Wmg'，其性 能比阴极铂载量为0.55 mgcm2的膜电极提高 3.6 倍。更需注意的是，在模拟车用条 件工作环境下，此膜电极的电池性能良好，在0.6V电压下功率密度可达788 mWcm22， 单位质量铂比功率为3.94 Wmg'，且具有较宽的湿度范围适应性，说明本文制备的极 低铂载量膜电极具有很大的实际应用前景和商业价值。 本文为说明氮气和水对于电池性能的影响，创造性的设计了氮气渗透实验。由实 验结果推测电池在氢闭端工作过程中，水在膜电极中的分布是导致电池电压可逆下降 的主要原因。我们认为从微观角度探究 Nafion 超薄薄膜性质及水在其中的扩散和传 质机制，将加深对膜电极中电化学过程的理解。

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