【摘 要】
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燃料电池因具有能量转化效率高、清洁无污染、燃料选择范围广等优点,被认为是未来的能源之星。催化层（CL）作为燃料电池的核心组成部分之一,其组成和结构对燃料电池的成本及性能有很大的影响。理想的催化层应该具有大量的“固-液-气”三相反应界面,又要有足够小的电子、质子和反应物质传递阻力。目前燃料电池仍然面临着成本和性能等因素的制约,为了解决这两个关键性问题,科学家们采用了多种手段提升燃料电池催化层的效率。
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燃料电池因具有能量转化效率高、清洁无污染、燃料选择范围广等优点,被认为是未来的能源之星。催化层（CL）作为燃料电池的核心组成部分之一,其组成和结构对燃料电池的成本及性能有很大的影响。理想的催化层应该具有大量的“固-液-气”三相反应界面,又要有足够小的电子、质子和反应物质传递阻力。目前燃料电池仍然面临着成本和性能等因素的制约,为了解决这两个关键性问题,科学家们采用了多种手段提升燃料电池催化层的效率。本论文旨在通过对燃料电池催化层的结构设计优化,提高催化剂电化学表面积和降低局域气体传质阻力,制备出具有低Pt载量、高功率输出的高性能燃料电池。主要工作如下:（1）改性多壁碳纳米管（s-MWCNTs）提升催化层传质效率。对MWCNTs进行表面改性,机械研磨分散并加入催化剂油墨中喷涂制备催化层。结果表明:当铂基催化剂的两极总载量为超低含量(0.12 mg·cm-2)时,催化层中含有0.125 mg·cm-2s-MWCNTs的MEA具有高峰值功率密度1.23 W·cm-2,性能相比于催化层中不含s-MWCNTs的对比样(0.85 W·cm-2)提升了44.7%。分析原因认为:改性多壁碳纳米管（s-MWCNTs）的加入,促进了催化剂的分散,有效提高了催化层的孔隙和传质效率,极大提升了催化剂的利用率。（2）离聚物形态调控降低气体局域传质阻力。通过乳液聚合和悬浮聚合制备了粒径不同的颗粒状ionomer,替代传统ionomer溶液加入至催化剂油墨,超声分散并制备催化层。结果表明:当ionomer平均粒径为142 nm且m Pt/C:mionomer=4:1时MEA具有最高的峰值功率密度1.41 W·cm-2（@0.7V）,而同等IEC的传统均相ionomer峰值功率密度仅为0.335 W·cm-2（@0.5V）。分析原因认为:新型颗粒形态ionomer的采用,构建了变革性的催化层结构,抛弃了传统催化剂表面覆盖ionomer的结构,催化剂表面无ionomer覆盖,因而使得反应气体到达催化剂表面的局域传质阻力极大降低,从而提升了燃料电池峰值功率。
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