質子交換膜燃料電池電極制備實用教案

1、會計學1質子質子(zhz)交換膜燃料電池電極制備交換膜燃料電池電極制備第一頁，共22頁。 厚層憎水催化層電極厚層憎水催化層電極 薄層親水催化層電極薄層親水催化層電極 超薄催化層電極超薄催化層電極 雙層催化層電極雙層催化層電極不同類型電極不同類型電極 PEMFC工作原理及對電極要求工作原理及對電極要求總結與展望總結與展望主要參考文獻主要參考文獻第1頁/共22頁第二頁，共22頁。第2頁/共22頁第三頁，共22頁。高活性催化劑高活性催化劑質子通道質子通道(tngdo)電子通道電子通道(tngdo)反應氣通道反應氣通道(tngdo)生成水通道生成水通道(tngdo)熱的良導體熱的良導體一定機械強度一定

2、機械強度工作條件下穩(wěn)定工作條件下穩(wěn)定電極電極(dinj)要要求求 電極分類電極分類(fn li)厚層憎水催化層電厚層憎水催化層電極極薄層親水催化層電薄層親水催化層電極極超薄催化層電極超薄催化層電極雙層催化層電極雙層催化層電極合理合理分配分配降低降低擔量擔量第3頁/共22頁第四頁，共22頁。主要主要(zhyo)內(nèi)容內(nèi)容 厚層憎水催化厚層憎水催化(cu hu)層電層電極極 薄層親水催化薄層親水催化(cu hu)層電層電極極 超薄催化超薄催化(cu hu)層電極層電極 雙層催化雙層催化(cu hu)層電極層電極發(fā)展發(fā)展(fzhn)與展望與展望不同類型電極不同類型電極 PEMFC工作原理及電極要求工作

3、原理及電極要求第4頁/共22頁第五頁，共22頁。厚層憎水催化厚層憎水催化(cu hu)層電極層電極厚層憎水催化厚層憎水催化(cu hu)層電極工層電極工藝流程藝流程第5頁/共22頁第六頁，共22頁。Pt/C 電催化劑電催化劑PTFENafion樹脂樹脂碳紙?zhí)技垰怏w傳遞氣體傳遞水傳遞水傳遞電子傳遞電子傳遞質子傳遞質子傳遞Pt/c:PTFE:Nafion = 54:23:23（質量（質量(zhling)比）比）氧電極氧電極(dinj)Pt(dinj)Pt擔量：擔量：0.30.30.5 mg/cm20.5 mg/cm2氫電極氫電極(dinj)Pt(dinj)Pt擔量：擔量：0.10.10.3 mg/

4、cm20.3 mg/cm2第6頁/共22頁第七頁，共22頁。傳統(tǒng)工藝，技術成熟，大多傳統(tǒng)工藝，技術成熟，大多(ddu)采用采用催化層催化層/擴散層憎水，利于生成水排出擴散層憎水，利于生成水排出厚層憎水催化層電極厚層憎水催化層電極(dinj)特點特點采用采用PTFE做疏水劑，不利于質子、電子傳導做疏水劑，不利于質子、電子傳導催化層至膜的催化層至膜的Nafion變化梯度大，不利于變化梯度大，不利于Nafion膜與催化層粘合。電池長時間運行膜與催化層粘合。電池長時間運行(ynxng)，電極與膜局部剝離，增加接觸電阻。，電極與膜局部剝離，增加接觸電阻。電極電極 PTFE第7頁/共22頁第八頁，共22頁

5、。薄層親水催化薄層親水催化(cu hu)層電極層電極第8頁/共22頁第九頁，共22頁。催化層內(nèi)傳遞催化層內(nèi)傳遞(chund)通道通道Pt/C電催化劑電催化劑Nafion樹脂樹脂水和水和Nafion內(nèi)溶解擴散內(nèi)溶解擴散水傳遞水傳遞電子傳遞電子傳遞質子傳遞質子傳遞氣體傳遞氣體傳遞催化層催化層55mmPt擔量擔量0.10.05mg/cm2第9頁/共22頁第十頁，共22頁。薄層親水催化層電極薄層親水催化層電極(dinj)改進改進Pt/C電催化劑與電催化劑與 Nafion比例比例(bl)優(yōu)化優(yōu)化 Pt/C: Nafion=3:1（質量比）（質量比） Pt/C電催化劑與造孔劑電催化劑與造孔劑 （草酸氨）比

6、例優(yōu)化（草酸氨）比例優(yōu)化 Pt /C: (NH4)C2O4 = 1:1（質量比）質量比）020040060080010000.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1 Wilson New單池電壓單池電壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA/cm2電極催化層制作方法的比較電極催化層制作方法的比較Nafion含量（質量比）對含量（質量比）對電池性能的影響電池性能的影響020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 25% 10% 0% 50% 80%單池電壓 單池電壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA/cm

7、2020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 1:1 1:2 0單池電壓單池電壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA.cm-2電極中造孔劑含量（質量比）電極中造孔劑含量（質量比）對電池性能的影響對電池性能的影響Nafion 115, 80,H2/O2 0.3/0.5Mpa 增濕增濕85 第10頁/共22頁第十一頁，共22頁。第11頁/共22頁第十二頁，共22頁。薄層親水催化層電極薄層親水催化層電極(dinj)特點特點有利于電極催化層與膜緊密結合有利于電極催化層與膜緊密結合Pt/C催化劑與催化劑與Nafion型質子導體保持良好接觸，

8、催化層中質型質子導體保持良好接觸，催化層中質子、電子傳導性好子、電子傳導性好催化層中只有催化劑與催化層中只有催化劑與Nafion，催化劑分布，催化劑分布(fnb)比較均勻比較均勻催化層厚度薄，催化層厚度薄，Pt擔量降低擔量降低催化催化(cu hu)層內(nèi)無疏水劑，氣體傳質能力低層內(nèi)無疏水劑，氣體傳質能力低盡量減薄催化層厚度盡量減薄催化層厚度第12頁/共22頁第十三頁，共22頁。超薄催化超薄催化(cu hu)層電極層電極 Pt Pt催化催化(cu hu)(cu hu)層厚度層厚度1m1m，一般為幾十納米。，一般為幾十納米。第13頁/共22頁第十四頁，共22頁。Catalyst layerPower

9、 density at 0.6V(mW/cm2)Max power density (mW/cm2)Commercial MEA, 0.4 mg Pt/cm2345015 nm thin-film Pt, 0.04 mg Pt/cm21733真空濺射電極真空濺射電極(dinj)與普通電極與普通電極(dinj)性能比較性能比較干燥氫、氧干燥氫、氧(0.1MPa);(0.1MPa);膜；膜；Nafion 115Nafion 115；電池；電池(dinch)(dinch)溫度室溫溫度室溫最大功率密度最大功率密度 5 5 ：3 3PtPt擔量擔量 10 10 ：1 1 第14頁/共22頁第十五頁，共2

10、2頁。極大減薄催化層厚度，極大減薄催化層厚度，Pt 擔量顯著降低；擔量顯著降低；改善改善(gishn)MEA內(nèi)部電接觸；內(nèi)部電接觸；減薄減薄CL，在大電流密度放電時，減小了傳質阻力。，在大電流密度放電時，減小了傳質阻力。制備工藝復雜，制造成本較高，不適用于大批量生產(chǎn)；制備工藝復雜，制造成本較高，不適用于大批量生產(chǎn)；在在CL CL 表面濺射的表面濺射的Pt Pt 層，增加了氣體向催化層，增加了氣體向催化(cu hu)(cu hu)層傳遞及排水阻力。層傳遞及排水阻力。壽命與穩(wěn)定性較差壽命與穩(wěn)定性較差第15頁/共22頁第十六頁，共22頁。Pt/CPt/C與與PtRu/CPtRu/C為陽極催化劑，以純

11、為陽極催化劑，以純氫及氫及5353ppmCO/HppmCO/H2 2時電池的性能比較時電池的性能比較 雙層催化雙層催化(cu hu)層電極層電極E E1 1: :厚層憎水電極，厚厚層憎水電極，厚4040m m，0.3mgPt/cm0.3mgPt/cm2 2E E3 3: :薄層親水電極，厚薄層親水電極，厚5 5m m，0.02mgPt/cm0.02mgPt/cm2 2 厚層憎水與薄層親水電極厚層憎水與薄層親水電極以純氫及以純氫及5353ppmCO/HppmCO/H2 2時的電池性能時的電池性能 第16頁/共22頁第十七頁，共22頁。1.1.氣體擴散層氣體擴散層2.2.外層催化層：外層催化層：P

12、tPtRu/CRu/C 厚層憎水厚層憎水 氧化氧化 CO/HCO/H2 23.3.內(nèi)層催化層：內(nèi)層催化層：Pt/CPt/C 親水薄層親水薄層 氧化純氧化純H H2 24.4.NafionNafion膜膜陽極復合催化層結構陽極復合催化層結構多孔介質多孔介質(jizh)(jizh)中的傳質速度：中的傳質速度：H2 H2 CO CO，Pt-Ru/CPt-Ru/C電催化劑上的吸附：電催化劑上的吸附：CO CO H2 H2雙層催化雙層催化(cu hu)層電極設計層電極設計第17頁/共22頁第十八頁，共22頁。E5E5：外層催化層：外層催化層：PtPtRu/CRu/C Pt 20 Pt 20，Ru 10R

13、u 10 厚層憎水厚層憎水 （4040mm） 內(nèi)層催化層：內(nèi)層催化層：Pt/C Pt/C Pt 0.02 mg/cm Pt 0.02 mg/cm2 2 親水薄層（親水薄層（5 5mm）E2E2：PtPtRu/CRu/C單層憎水催化層電極單層憎水催化層電極 020040060080010000.600.650.700.750.800.850.900.951.00 E2, H2 E5, H2單池電壓 單池電壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA.cm-202004006000.40.50.60.70.80.91.0 E2, H2/50ppmCO E5, H2/50ppmCO 單池電壓

14、單池電壓 / V電 流 密 度電 流 密 度 / mA.cm-2)單催化層單催化層E E2 2和雙催化層和雙催化層E E5 5電極性能比較（電極性能比較（H H2 2+50ppmCO+50ppmCO） H2/H2+CO：雙層電極性能：雙層電極性能(xngnng)優(yōu)于傳統(tǒng)厚層憎水電極優(yōu)于傳統(tǒng)厚層憎水電極第18頁/共22頁第十九頁，共22頁。傳統(tǒng)厚層憎水電極傳統(tǒng)厚層憎水電極CLCL比較厚、比較厚、NafionNafion與與Pt Pt 顆粒的顆粒的 接觸不充分以及接觸不充分以及CLCL與與PEMPEM之間的界面結合之間的界面結合(jih)(jih)穩(wěn)定性差；穩(wěn)定性差；薄層親水電極氣體傳遞較差；薄層

15、親水電極氣體傳遞較差；真空濺射工藝復雜，成本高，不易大批量生產(chǎn)。真空濺射工藝復雜，成本高，不易大批量生產(chǎn)。提高催化劑活性，降低催化劑擔量；提高催化劑活性，降低催化劑擔量；提高薄層電極壽命與穩(wěn)定性；提高薄層電極壽命與穩(wěn)定性；根據(jù)不同電極特點，復合制備工藝。根據(jù)不同電極特點，復合制備工藝。第19頁/共22頁第二十頁，共22頁。 1. 1.衣寶廉衣寶廉. .燃料電池燃料電池原理原理(yunl)(yunl)技術技術應用應用. .北京北京: : 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社, 2003, 2003 2. E.Antolini, J.Appl.Electrochem. 2004(34), 563 2. E

16、.Antolini, J.Appl.Electrochem. 2004(34), 563 3. S.Litster, J.Power Sources, 2004(78) 61 3. S.Litster, J.Power Sources, 2004(78) 61 4. Costamagana P, Srinivasan S. J Power Sources 2001,( 102)242 4. Costamagana P, Srinivasan S. J Power Sources 2001,( 102)242 5. Costamagana P, Srinivasan S. J Power Sou

17、rces 2001, (102)253 5. Costamagana P, Srinivasan S. J Power Sources 2001, (102)253 6. W.M.Yan et al. J Electroanal. Chem. 2003(546),73 6. W.M.Yan et al. J Electroanal. Chem. 2003(546),73 7. H-S Chu et al. J Power Sources 2003(123)1 7. H-S Chu et al. J Power Sources 2003(123)1 8. E-A Ticianelli et al. J Electrochem.Soc. 1988(135)2209 8. E-A Ticianelli et al. J Electrochem.Soc. 1988(135)2209 9. M.S Wilson et al. US Pat. 15,234,777 9. M.S Wilson et al. US Pat. 15,234,777 10. E.Antolini, Mater.Chem.Phys, 2003(78), 563 10. E.Antolini, Mater.Che