质子交换膜燃料电池电极制备实用教案

1、会计学1质子质子(zhz)交换膜燃料电池电极制备交换膜燃料电池电极制备第一页，共22页。 厚层憎水催化层电极厚层憎水催化层电极 薄层亲水催化层电极薄层亲水催化层电极 超薄催化层电极超薄催化层电极 双层催化层电极双层催化层电极不同类型电极不同类型电极 PEMFC工作原理及对电极要求工作原理及对电极要求总结与展望总结与展望主要参考文献主要参考文献第1页/共22页第二页，共22页。第2页/共22页第三页，共22页。高活性催化剂高活性催化剂质子通道质子通道(tngdo)电子通道电子通道(tngdo)反应气通道反应气通道(tngdo)生成水通道生成水通道(tngdo)热的良导体热的良导体一定机械强度一定

2、机械强度工作条件下稳定工作条件下稳定电极电极(dinj)要要求求 电极分类电极分类(fn li)厚层憎水催化层电厚层憎水催化层电极极薄层亲水催化层电薄层亲水催化层电极极超薄催化层电极超薄催化层电极双层催化层电极双层催化层电极合理合理分配分配降低降低担量担量第3页/共22页第四页，共22页。主要主要(zhyo)内容内容 厚层憎水催化厚层憎水催化(cu hu)层电层电极极 薄层亲水催化薄层亲水催化(cu hu)层电层电极极 超薄催化超薄催化(cu hu)层电极层电极 双层催化双层催化(cu hu)层电极层电极发展发展(fzhn)与展望与展望不同类型电极不同类型电极 PEMFC工作原理及电极要求工作

3、原理及电极要求第4页/共22页第五页，共22页。厚层憎水催化厚层憎水催化(cu hu)层电极层电极厚层憎水催化厚层憎水催化(cu hu)层电极工层电极工艺流程艺流程第5页/共22页第六页，共22页。Pt/C 电催化剂电催化剂PTFENafion树脂树脂碳纸碳纸气体传递气体传递水传递水传递电子传递电子传递质子传递质子传递Pt/c:PTFE:Nafion = 54:23:23（质量（质量(zhling)比）比）氧电极氧电极(dinj)Pt(dinj)Pt担量：担量：0.30.30.5 mg/cm20.5 mg/cm2氢电极氢电极(dinj)Pt(dinj)Pt担量：担量：0.10.10.3 mg/

4、cm20.3 mg/cm2第6页/共22页第七页，共22页。传统工艺，技术成熟，大多传统工艺，技术成熟，大多(ddu)采用采用催化层催化层/扩散层憎水，利于生成水排出扩散层憎水，利于生成水排出厚层憎水催化层电极厚层憎水催化层电极(dinj)特点特点采用采用PTFE做疏水剂，不利于质子、电子传导做疏水剂，不利于质子、电子传导催化层至膜的催化层至膜的Nafion变化梯度大，不利于变化梯度大，不利于Nafion膜与催化层粘合。电池长时间运行膜与催化层粘合。电池长时间运行(ynxng)，电极与膜局部剥离，增加接触电阻。，电极与膜局部剥离，增加接触电阻。电极电极 PTFE第7页/共22页第八页，共22页

5、。薄层亲水催化薄层亲水催化(cu hu)层电极层电极第8页/共22页第九页，共22页。催化层内传递催化层内传递(chund)通道通道Pt/C电催化剂电催化剂Nafion树脂树脂水和水和Nafion内溶解扩散内溶解扩散水传递水传递电子传递电子传递质子传递质子传递气体传递气体传递催化层催化层55mmPt担量担量0.10.05mg/cm2第9页/共22页第十页，共22页。薄层亲水催化层电极薄层亲水催化层电极(dinj)改进改进Pt/C电催化剂与电催化剂与 Nafion比例比例(bl)优化优化 Pt/C: Nafion=3:1（质量比）（质量比） Pt/C电催化剂与造孔剂电催化剂与造孔剂 （草酸氨）比

6、例优化（草酸氨）比例优化 Pt /C: (NH4)C2O4 = 1:1（质量比）质量比）020040060080010000.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1 Wilson New单池电压单池电压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA/cm2电极催化层制作方法的比较电极催化层制作方法的比较Nafion含量（质量比）对含量（质量比）对电池性能的影响电池性能的影响020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 25% 10% 0% 50% 80%单池电压 单池电压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA/cm

7、2020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 1:1 1:2 0单池电压单池电压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA.cm-2电极中造孔剂含量（质量比）电极中造孔剂含量（质量比）对电池性能的影响对电池性能的影响Nafion 115, 80,H2/O2 0.3/0.5Mpa 增湿增湿85 第10页/共22页第十一页，共22页。第11页/共22页第十二页，共22页。薄层亲水催化层电极薄层亲水催化层电极(dinj)特点特点有利于电极催化层与膜紧密结合有利于电极催化层与膜紧密结合Pt/C催化剂与催化剂与Nafion型质子导体保持良好接触，

8、催化层中质型质子导体保持良好接触，催化层中质子、电子传导性好子、电子传导性好催化层中只有催化剂与催化层中只有催化剂与Nafion，催化剂分布，催化剂分布(fnb)比较均匀比较均匀催化层厚度薄，催化层厚度薄，Pt担量降低担量降低催化催化(cu hu)层内无疏水剂，气体传质能力低层内无疏水剂，气体传质能力低尽量减薄催化层厚度尽量减薄催化层厚度第12页/共22页第十三页，共22页。超薄催化超薄催化(cu hu)层电极层电极 Pt Pt催化催化(cu hu)(cu hu)层厚度层厚度1m1m，一般为几十纳米。，一般为几十纳米。第13页/共22页第十四页，共22页。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真空溅射电极真空溅射电极(dinj)与普通电极与普通电极(dinj)性能比较性能比较干燥氢、氧干燥氢、氧(0.1MPa);(0.1MPa);膜；膜；Nafion 115Nafion 115；电池；电池(dinch)(dinch)温度室温温度室温最大功率密度最大功率密度 5 5 ：3 3PtPt担量担量 10 10 ：1 1 第14页/共22页第十五页，共2

10、2页。极大减薄催化层厚度，极大减薄催化层厚度，Pt 担量显著降低；担量显著降低；改善改善(gishn)MEA内部电接触；内部电接触；减薄减薄CL，在大电流密度放电时，减小了传质阻力。，在大电流密度放电时，减小了传质阻力。制备工艺复杂，制造成本较高，不适用于大批量生产；制备工艺复杂，制造成本较高，不适用于大批量生产；在在CL CL 表面溅射的表面溅射的Pt Pt 层，增加了气体向催化层，增加了气体向催化(cu hu)(cu hu)层传递及排水阻力。层传递及排水阻力。寿命与稳定性较差寿命与稳定性较差第15页/共22页第十六页，共22页。Pt/CPt/C与与PtRu/CPtRu/C为阳极催化剂，以纯

11、为阳极催化剂，以纯氢及氢及5353ppmCO/HppmCO/H2 2时电池的性能比较时电池的性能比较 双层催化双层催化(cu hu)层电极层电极E E1 1: :厚层憎水电极，厚厚层憎水电极，厚4040m m，0.3mgPt/cm0.3mgPt/cm2 2E E3 3: :薄层亲水电极，厚薄层亲水电极，厚5 5m m，0.02mgPt/cm0.02mgPt/cm2 2 厚层憎水与薄层亲水电极厚层憎水与薄层亲水电极以纯氢及以纯氢及5353ppmCO/HppmCO/H2 2时的电池性能时的电池性能 第16页/共22页第十七页，共22页。1.1.气体扩散层气体扩散层2.2.外层催化层：外层催化层：P

12、tPtRu/CRu/C 厚层憎水厚层憎水 氧化氧化 CO/HCO/H2 23.3.内层催化层：内层催化层：Pt/CPt/C 亲水薄层亲水薄层 氧化纯氧化纯H H2 24.4.NafionNafion膜膜阳极复合催化层结构阳极复合催化层结构多孔介质多孔介质(jizh)(jizh)中的传质速度：中的传质速度：H2 H2 CO CO，Pt-Ru/CPt-Ru/C电催化剂上的吸附：电催化剂上的吸附：CO CO H2 H2双层催化双层催化(cu hu)层电极设计层电极设计第17页/共22页第十八页，共22页。E5E5：外层催化层：外层催化层：PtPtRu/CRu/C Pt 20 Pt 20，Ru 10R

13、u 10 厚层憎水厚层憎水 （4040mm） 内层催化层：内层催化层：Pt/C Pt/C Pt 0.02 mg/cm Pt 0.02 mg/cm2 2 亲水薄层（亲水薄层（5 5mm）E2E2：PtPtRu/CRu/C单层憎水催化层电极单层憎水催化层电极 020040060080010000.600.650.700.750.800.850.900.951.00 E2, H2 E5, H2单池电压 单池电压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA.cm-202004006000.40.50.60.70.80.91.0 E2, H2/50ppmCO E5, H2/50ppmCO 单池电压

14、单池电压 / V电 流 密 度电 流 密 度 / mA.cm-2)单催化层单催化层E E2 2和双催化层和双催化层E E5 5电极性能比较（电极性能比较（H H2 2+50ppmCO+50ppmCO） H2/H2+CO：双层电极性能：双层电极性能(xngnng)优于传统厚层憎水电极优于传统厚层憎水电极第18页/共22页第十九页，共22页。传统厚层憎水电极传统厚层憎水电极CLCL比较厚、比较厚、NafionNafion与与Pt Pt 颗粒的颗粒的 接触不充分以及接触不充分以及CLCL与与PEMPEM之间的界面结合之间的界面结合(jih)(jih)稳定性差；稳定性差；薄层亲水电极气体传递较差；薄层

15、亲水电极气体传递较差；真空溅射工艺复杂，成本高，不易大批量生产。真空溅射工艺复杂，成本高，不易大批量生产。提高催化剂活性，降低催化剂担量；提高催化剂活性，降低催化剂担量；提高薄层电极寿命与稳定性；提高薄层电极寿命与稳定性；根据不同电极特点，复合制备工艺。根据不同电极特点，复合制备工艺。第19页/共22页第二十页，共22页。 1. 1.衣宝廉衣宝廉. .燃料电池燃料电池原理原理(yunl)(yunl)技术技术应用应用. .北京北京: : 化学工业出版社化学工业出版社, 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