PEMFC阴极催化层氧传质阻力影响的研究进展

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)阴极催化层的氧传质阻力是限制高电流密度下低Pt载量膜电极极化性能的主要瓶颈。研究如何降低阴极催化层氧传质阻力对于提高PEMFC的性能、加快其商业化应用至关重要。本文首先分析了催化层氧传质阻力产生的根源及构成,指出氧气穿越气相、离聚物、Pt纳米粒子三相接触界面时产生的局部氧传质阻力是其重要部分;接着从Pt纳米粒子、离聚物、碳载体和水这四方面阐述了各因素对氧传质阻力特别是局部氧传质阻力的影响,归纳总结了降低氧传质阻力的方法;最后对低Pt载量PEMFC阴极催化层设计进行了展望,提出从构建适宜的载体孔结构、合理分布孔道内外Pt粒子数量、控制离聚物厚度及分布,以及强化水转移等方面着手,以降低氧传质阻力,提高电池在高电流密度下的功率输出。

催化层厚度对质子交换膜燃料电池性能影响的数值研究

采用一维稳态宏观均相模型,首次对不同阴极催化层(CCL)厚度的质子交换膜燃料电池(PEMFC)在全操作电流范围内的功率输出进行了计算和比较。在催化层中各相的体积比不变的前提下,催化层厚度以2种方式变化:一是变化单位面积催化层内的Pt载量;二是变化Pt在碳载铂(Pt/C)催化剂颗粒中的质量分数。2种方式的模拟结果均表明,催化层较厚的PEMFC具有较高的功率输出。但是从提高催化剂利用率角度考虑,第1种催化层厚度变化方式中催化层越薄催化剂利用率越高,第2种方式相反。在本研究设定的CCL参数范围内,最适宜厚度催化层在整个电流密度范围内都使PEMFC有最高的功率输出。

低铂膜电极结构优化途径

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心组件,长期以来,在衣院士的指导下,我国高度重视膜电极技术的开发.目前,燃料电池的研发和产业化进入了一个新的时代,对膜电极提出来更高的要求,特别是在降低铂载量方面,提出了0.125 mg·W-1的挑战性指标.本文从活化极化、欧姆极化和传质极化三个方面分析了低铂载量情况下电池性能下降的原因,提出应重点关注催化剂在燃料电池工作区间(0.6 V～0.8 V)的催化活性,并讨论了用电荷传输阻抗作为催化剂活性指示符的合理性.从优化潜力来说,传质极化优化>活化极化优化>欧姆极化优化.催化层结构优化是实现低铂目标的关键,重点是解决离子聚合物(ionomer)传递质子和阻碍气体的矛盾.