會(huì)計(jì)學(xué)1質(zhì)子交換膜燃料電池電極制備主要內(nèi)容厚層憎水催化層電極薄層親水催化層電極超薄催化層電極雙層催化層電極不同類型電極

PEMFC工作原理及對(duì)電極要求總結(jié)與展望主要參考文獻(xiàn)第1頁(yè)/共22頁(yè)P(yáng)EMFC工作原理第2頁(yè)/共22頁(yè)高活性催化劑質(zhì)子通道電子通道反應(yīng)氣通道生成水通道熱的良導(dǎo)體一定機(jī)械強(qiáng)度工作條件下穩(wěn)定電極要求電極分類厚層憎水催化層電極薄層親水催化層電極超薄催化層電極雙層催化層電極合理分配降低擔(dān)量第3頁(yè)/共22頁(yè)主要內(nèi)容厚層憎水催化層電極薄層親水催化層電極超薄催化層電極雙層催化層電極發(fā)展與展望不同類型電極

PEMFC工作原理及電極要求第4頁(yè)/共22頁(yè)厚層憎水催化層電極厚層憎水催化層電極工藝流程第5頁(yè)/共22頁(yè)P(yáng)t/C

電催化劑PTFENafion樹脂碳紙氣體傳遞水傳遞電子傳遞質(zhì)子傳遞四種傳遞通道Pt/c:PTFE:Nafion=54:23:23（質(zhì)量比）氧電極Pt擔(dān)量：0.3～0.5mg/cm2氫電極Pt擔(dān)量：0.1～0.3mg/cm2第6頁(yè)/共22頁(yè)傳統(tǒng)工藝，技術(shù)成熟，大多采用催化層/擴(kuò)散層憎水，利于生成水排出厚層憎水催化層電極特點(diǎn)采用PTFE做疏水劑，不利于質(zhì)子、電子傳導(dǎo)催化層至膜的Nafion變化梯度大，不利于Nafion膜與催化層粘合。電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電極與膜局部剝離，增加接觸電阻。電極PTFE第7頁(yè)/共22頁(yè)薄層親水電極的制備工藝流程

薄層親水催化層電極第8頁(yè)/共22頁(yè)溶解氧在水中擴(kuò)散系數(shù)10-4～10-5cm2/s溶解氧在Nafion擴(kuò)散系數(shù)10-5cm2/scm2/s催化層內(nèi)傳遞通道Pt/C電催化劑Nafion樹脂水和Nafion內(nèi)溶解擴(kuò)散水傳遞電子傳遞質(zhì)子傳遞氣體傳遞催化層<5μmPt擔(dān)量0.1～0.05mg/cm2第9頁(yè)/共22頁(yè)加入一定比例造孔劑和憎水劑薄層親水催化層電極改進(jìn)Pt/C電催化劑與Nafion比例優(yōu)化

Pt/C:Nafion=3:1（質(zhì)量比）Pt/C電催化劑與造孔劑（草酸氨）比例優(yōu)化

Pt/C:(NH4)C2O4=1:1（質(zhì)量比）電極催化層制作方法的比較Nafion含量（質(zhì)量比）對(duì)電池性能的影響電極中造孔劑含量（質(zhì)量比）對(duì)電池性能的影響Nafion115,80℃,H2/O20.3/0.5Mpa增濕85℃第10頁(yè)/共22頁(yè)經(jīng)過改進(jìn)薄層親水電極與傳統(tǒng)工藝電極性能比較第11頁(yè)/共22頁(yè)薄層親水催化層電極特點(diǎn)有利于電極催化層與膜緊密結(jié)合Pt/C催化劑與Nafion型質(zhì)子導(dǎo)體保持良好接觸，催化層中質(zhì)子、電子傳導(dǎo)性好催化層中只有催化劑與Nafion，催化劑分布比較均勻催化層厚度薄，Pt擔(dān)量降低催化層內(nèi)無疏水劑，氣體傳質(zhì)能力低盡量減薄催化層厚度第12頁(yè)/共22頁(yè)真空濺射示意圖超薄催化層電極Pt催化層厚度<1μm，一般為幾十納米。第13頁(yè)/共22頁(yè)CatalystlayerPowerdensityat0.6V(mW/cm2)Maxpowerdensity(mW/cm2)CommercialMEA,0.4mgPt/cm2345015nmthin-filmPt,0.04mgPt/cm21733真空濺射電極與普通電極性能比較干燥氫、氧(0.1MPa);膜；Nafion115；電池溫度室溫最大功率密度5：3Pt擔(dān)量10：1

第14頁(yè)/共22頁(yè)真空濺射電極特點(diǎn)極大減薄催化層厚度，Pt擔(dān)量顯著降低；改善MEA內(nèi)部電接觸；減薄CL，在大電流密度放電時(shí)，減小了傳質(zhì)阻力。制備工藝復(fù)雜，制造成本較高，不適用于大批量生產(chǎn)；在CL表面濺射的Pt層，增加了氣體向催化層傳遞及排水阻力。壽命與穩(wěn)定性較差第15頁(yè)/共22頁(yè)P(yáng)t/C與PtRu/C為陽(yáng)極催化劑，以純氫及53ppmCO/H2時(shí)電池的性能比較

雙層催化層電極E1:厚層憎水電極，厚40μm，0.3mgPt/cm2E3:薄層親水電極，厚＜5μm，0.02mgPt/cm2厚層憎水與薄層親水電極以純氫及53ppmCO/H2時(shí)的電池性能

第16頁(yè)/共22頁(yè)1.氣體擴(kuò)散層2.外層催化層：Pt－Ru/C厚層憎水氧化CO/H23.內(nèi)層催化層：Pt/C親水薄層氧化純H24.Nafion膜陽(yáng)極復(fù)合催化層結(jié)構(gòu)多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)速度：H2＞

CO，Pt-Ru/C電催化劑上的吸附：CO＞H2雙層催化層電極設(shè)計(jì)第17頁(yè)/共22頁(yè)單催化層E2和雙催化層E5電極性能比較（純氫燃料）

E5：外層催化層：Pt－Ru/CPt20％，Ru10％厚層憎水（40μm）內(nèi)層催化層：Pt/CPt0.02mg/cm2親水薄層（＜5μm）E2：Pt－Ru/C單層憎水催化層電極單催化層E2和雙催化層E5電極性能比較（H2+50ppmCO）

H2/H2+CO：雙層電極性能優(yōu)于傳統(tǒng)厚層憎水電極第18頁(yè)/共22頁(yè)總結(jié)與展望目前提出了多種電極制備方法，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了的PEMFC性能；Pt擔(dān)量降低。目前商用MEAPt擔(dān)量為0.4mg/cm2左右，實(shí)驗(yàn)室制備MEAPt擔(dān)量已經(jīng)降低到0.1mg/cm2以下;CL厚度減薄，實(shí)驗(yàn)室制備＜1μm。傳統(tǒng)厚層憎水電極CL比較厚、Nafion與Pt顆粒的接觸不充分以及CL與PEM之間的界面結(jié)合穩(wěn)定性差；薄層親水電極氣體傳遞較差；真空濺射工藝復(fù)雜，成本高，不易大批量生產(chǎn)。提高催化劑活性，降低催化劑擔(dān)量；提高薄層電極壽命與穩(wěn)定性；根據(jù)不同電極特點(diǎn)，復(fù)合制備工藝。第19頁(yè)/共22頁(yè)主要參考文獻(xiàn)1.衣寶廉.燃料電池—原理·技術(shù)·應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20032.E.Antolini,J.Appl.Electrochem.2004(34),5633.S.Litster,J.PowerSources,2004(78)614.CostamaganaP,SrinivasanS.JPowerSources2001,(102)242

5.CostamaganaP,SrinivasanS.JPowerSources2001,(102)253

6.W.M.Yanetal..JElectroanal.Chem.2003(546),737.H-SChuetal.JPowerSources2003(123)18.E-ATicianellietal..JElectrochem.Soc.1988(135)22099.M.SWilsonetal.USPat.15,234,77710.E.Antolini,Mate