【摘 要】
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燃料电池是一种可以将化学能转化为电能的装置。由于阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)能量转化效率高、性能可靠、可用非贵金属催化剂等优点受到研究者和企业的重视。催化层作为阳极的主要组成部分,是氢氧化反应(HOR)发生的场所,主要由催化剂颗粒和离聚物构成。催化剂是HOR反应的关键组分,而离聚物的主要作用是粘结催化剂颗粒和传输离子。氢氧化反应伴随着水的产生,水的分布状态会影响气体传输以及水合反应的进行,决
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燃料电池是一种可以将化学能转化为电能的装置。由于阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)能量转化效率高、性能可靠、可用非贵金属催化剂等优点受到研究者和企业的重视。催化层作为阳极的主要组成部分,是氢氧化反应(HOR)发生的场所,主要由催化剂颗粒和离聚物构成。催化剂是HOR反应的关键组分,而离聚物的主要作用是粘结催化剂颗粒和传输离子。氢氧化反应伴随着水的产生,水的分布状态会影响气体传输以及水合反应的进行,决定了电池的性能。因此,研究AEMFC催化层结构与水分布之间的关系,有利于深入理解催化层水管理特性,从而设计出有利于水质传输的催化层结构。催化层的设计可以从催化活性和结构优化两方面展开。本文围绕AEMFC阳极催化层及其关键组分开展研究,旨在优化催化层的水管理特性,进一步优化的电池性能。首先,选取了活性组分不同而碳载体相同的HOR催化剂(Pt/C和Pt Ru/C),设计梯度活性金属阳极催化层。通过调整阳极催化层中两种不同活性金属催化剂的位置设计了三种新的结构,并采用催化剂覆盖膜(CCM)法制成膜电极。先喷涂Pt/C后喷涂Pt Ru/C,命名为Pt Ru/Pt催化层,反之则为Pt/Pt Ru催化层。利用扫描电子显微镜、压汞仪分析催化层的结构特征;采用饱和蒸汽吸附仪测试催化层在离线状态下的水吸附/脱附能力;将制备的具有阳极渐变活性催化层的膜电极进行电池测试。研究发现:具有Pt Ru/Pt催化层和Pt/Pt Ru催化层的膜电极具有自排水过程,其中Pt Ru/Pt在高湿度条件下表现出了更好的电池性能。当活性较高的Pt Ru/C层靠近气体扩散层,活性较低的Pt/C层靠近离子交换膜时,双层催化层形成与单一催化层水分布相反的活性梯度,有效改善水分布,提高了电池输出功率密度。为了探究梯度孔催化层结构对水分布和气体扩散的调节作用,本章选取四种粒径不同的碳基底(AC、KJB、XC-72、ACET)以Pt Ru为活性组分,制备了4中碳载Pt Ru催化剂。通过物化表征分析基底对活性组分的形貌、晶形的影响,并结合催化剂饱和水蒸气行为和HOR测试,深入分析了催化剂水吸附能力和电催化活性之间的关系。最后,将配备阳极渐变催化层的膜电极进行电池测试。结果表明,催化层的结构会影响整体膜电极的吸脱附性能,催化层饱和水蒸气吸附行为与催化层的厚度并非线性关系,而取决于催化层内部的孔隙结构。基于Pt Ru/KJB和Pt Ru/XC-72构建的阳极梯度结构催化层,表现出良好自水管理能力,优化了反应过程阳极水传输性能。综上所述,本研究通过对阴离子交换膜燃料电池阳极催化层结构进行设计,发现梯度活性金属和梯度碳基底对电池内部的水分布有明显的调节作用,决定燃料电池性能,论文研究成果将为AEMFC膜电极结构的设计和性能优化提供了新思路。
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