氢燃料电池用催化剂的制备和性能研究

氢燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的能量转化装置,具有转化效率高、清洁环保等优点,被认为是21世纪最有前途的新能源技术。催化剂作为氢燃料电池的关键材料,直接影响电池的使用寿命。通过以炭黑为基体、血晶素为前驱体,通过自组装热解两步法制备复合载体,并负载铂制备Pt/Fe-N-C/EC复合催化剂。考察催化剂的电化学性能,并将其制备成膜电极组装单电池测试电池性能。结果表明,制备的铂炭催化剂具有良好的电化学性能,质量比活性可达183.26 mA·mg^(-1),电化学活性面积可达92.79 m^(2)·g^(-1),膜电极组装的单池在DOE加速耐久30000圈实验后,其在0.8 A·cm^(-2)处电压值衰减18 mV,电化学活性面积衰减37.64%,符合DOE标准。

质子交换膜燃料电池膜电极制备方法及部分改进策略

燃料电池被认为是21世纪最具有发展前景的能量转换装置,可应用于汽车、电站及家庭用电等领域。膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是燃料电池电化学反应发生的主要场所,它的材料、结构、组成和制备方法等因素对燃料电池的性能有着直接的影响。膜电极制备方法可以分为催化剂制备到基体上(catalyst-coated substrate,CCS)和催化剂制备到膜上(catalyst-coated membrane,CCM)法两类。本文首先简单地介绍了CCS和CCM法中都用到的溅射法、喷涂法和转印法,再从膜电极制备方法中存在的问题出发,总结了部分有关改善MEA性能的策略,包括Nafion含量的优化、质子交换膜的改进、热压条件的优化和催化剂层的改进。在催化剂层的改进部分,分别从梯度结构、纳米结构薄膜(nano-structured thin film,NSTF)催化剂、碳纸上原位生长碳纳米管、碳纳米管/碳纳米纤维复合网状物和活性金属沉积方法这几个方面来进行阐述。

质子交换膜燃料电池膜电极的结构优化

膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的核心部件,为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。为了实现燃料电池商业化目标,需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的MEA。在MEA中除了催化剂以外,各功能层结构、层与层之间的界面都对MEA的性能具有重要影响。传统方法(CCS法和CCM法)制备的MEA在结构上有很多缺陷,明显制约了Pt的利用率和系统传质能力。通过优化各功能层结构消除缺陷,将有利于进一步提升PEMFC综合性能。本文从传统MEA结构存在的问题出发,梳理了近年来关于催化层、质子交换膜和气体扩散层结构优化方面的文献,归纳总结了各先进结构的制备方法、构效关系以及优缺点,对未来高性能、低成本和长寿命的MEA的开发具有指导意义。