质子交换膜燃料电池电极制备学习教案

会计学1质子交换膜燃料电池电极制备主要内容厚层憎水催化层电极薄层亲水催化层电极超薄催化层电极双层催化层电极不同类型电极

PEMFC工作原理及对电极要求总结与展望主要参考文献第1页/共22页PEMFC工作原理第2页/共22页高活性催化剂质子通道电子通道反应气通道生成水通道热的良导体一定机械强度工作条件下稳定电极要求电极分类厚层憎水催化层电极薄层亲水催化层电极超薄催化层电极双层催化层电极合理分配降低担量第3页/共22页主要内容厚层憎水催化层电极薄层亲水催化层电极超薄催化层电极双层催化层电极发展与展望不同类型电极

PEMFC工作原理及电极要求第4页/共22页厚层憎水催化层电极厚层憎水催化层电极工艺流程第5页/共22页Pt/C

电催化剂PTFENafion树脂碳纸气体传递水传递电子传递质子传递四种传递通道Pt/c:PTFE:Nafion=54:23:23（质量比）氧电极Pt担量：0.3～0.5mg/cm2氢电极Pt担量：0.1～0.3mg/cm2第6页/共22页传统工艺，技术成熟，大多采用催化层/扩散层憎水，利于生成水排出厚层憎水催化层电极特点采用PTFE做疏水剂，不利于质子、电子传导催化层至膜的Nafion变化梯度大，不利于Nafion膜与催化层粘合。电池长时间运行，电极与膜局部剥离，增加接触电阻。电极PTFE第7页/共22页薄层亲水电极的制备工艺流程

薄层亲水催化层电极第8页/共22页溶解氧在水中扩散系数10-4～10-5cm2/s溶解氧在Nafion扩散系数10-5cm2/scm2/s催化层内传递通道Pt/C电催化剂Nafion树脂水和Nafion内溶解扩散水传递电子传递质子传递气体传递催化层<5μmPt担量0.1～0.05mg/cm2第9页/共22页加入一定比例造孔剂和憎水剂薄层亲水催化层电极改进Pt/C电催化剂与Nafion比例优化

Pt/C:Nafion=3:1（质量比）Pt/C电催化剂与造孔剂（草酸氨）比例优化

Pt/C:(NH4)C2O4=1:1（质量比）电极催化层制作方法的比较Nafion含量（质量比）对电池性能的影响电极中造孔剂含量（质量比）对电池性能的影响Nafion115,80℃,H2/O20.3/0.5Mpa增湿85℃第10页/共22页经过改进薄层亲水电极与传统工艺电极性能比较第11页/共22页薄层亲水催化层电极特点有利于电极催化层与膜紧密结合Pt/C催化剂与Nafion型质子导体保持良好接触，催化层中质子、电子传导性好催化层中只有催化剂与Nafion，催化剂分布比较均匀催化层厚度薄，Pt担量降低催化层内无疏水剂，气体传质能力低尽量减薄催化层厚度第12页/共22页真空溅射示意图超薄催化层电极Pt催化层厚度<1μm，一般为几十纳米。第13页/共22页CatalystlayerPowerdensityat0.6V(mW/cm2)Maxpowerdensity(mW/cm2)CommercialMEA,0.4mgPt/cm2345015nmthin-filmPt,0.04mgPt/cm21733真空溅射电极与普通电极性能比较干燥氢、氧(0.1MPa);膜；Nafion115；电池温度室温最大功率密度5：3Pt担量10：1

第14页/共22页真空溅射电极特点极大减薄催化层厚度，Pt担量显著降低；改善MEA内部电接触；减薄CL，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；在CL表面溅射的Pt层，增加了气体向催化层传递及排水阻力。寿命与稳定性较差第15页/共22页Pt/C与PtRu/C为阳极催化剂，以纯氢及53ppmCO/H2时电池的性能比较

双层催化层电极E1:厚层憎水电极，厚40µm，0.3mgPt/cm2E3:薄层亲水电极，厚＜5µm，0.02mgPt/cm2厚层憎水与薄层亲水电极以纯氢及53ppmCO/H2时的电池性能

第16页/共22页1.气体扩散层2.外层催化层：Pt－Ru/C厚层憎水氧化CO/H23.内层催化层：Pt/C亲水薄层氧化纯H24.Nafion膜阳极复合催化层结构多孔介质中的传质速度：H2＞

CO，Pt-Ru/C电催化剂上的吸附：CO＞H2双层催化层电极设计第17页/共22页单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（纯氢燃料）

E5：外层催化层：Pt－Ru/CPt20％，Ru10％厚层憎水（40μm）内层催化层：Pt/CPt0.02mg/cm2亲水薄层（＜5μm）E2：Pt－Ru/C单层憎水催化层电极单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（H2+50ppmCO）

H2/H2+CO：双层电极性能优于传统厚层憎水电极第18页/共22页总结与展望目前提出了多种电极制备方法，通过优化结构进一步提高了的PEMFC性能；Pt担量降低。目前商用MEAPt担量为0.4mg/cm2左右，实验室制备MEAPt担量已经降低到0.1mg/cm2以下;CL厚度减薄，实验室制备＜1μm。传统厚层憎水电极CL比较厚、Nafion与Pt颗粒的接触不充分以及CL与PEM之间的界面结合稳定性差；薄层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。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；根据不同电极特点，复合制备工艺。第19页/共22页主要参考文献1.衣宝廉.燃料电池—原理·技术·应用.北京:化学工业出版社,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