空气自呼吸质子交换膜燃料电池研究

空气自呼吸质子交换膜燃料电池(ab-PEMFC)因其高能量密度、无污染、无需复杂的辅助系统等优点而被广泛认为是最具希望的便携式能源设备,可以满足现代各类移动数码产品如:手提电脑、平板电脑、智能手机等等的电力需求。然而阻碍空气自呼吸质子交换膜燃料电池商业化的主要原因是其较低的输出功率,提高阴极水热管理能力、改善物质传输效率是解决问题的根本。本文从提高阴极水热管理能力和改善物质传输效率出发,对阴极气体扩散层、阴极催化层、阴极开放流场板的制备工艺和性能差异进行了分析与研究。首先,为制备出适合空气自呼吸条件下使用的阴极气体扩散层,我们对气体扩散层的疏水性和微孔层厚度进行了优化。经电池测试得出阴极气体扩散层的最佳PTFE含量是25wt.%,微孔层的最佳厚度是0.14mm。结果表明过低和过高的疏水性都会导致水淹,过低的疏水性不能移除催化层的液态水,过高的疏水性会阻碍内部水分的移除。同时,选用合适的微孔层厚度有利于缓解阴极水淹。其次,比较了阴极气体扩散层的微孔层采用不同碳材料时对电池放电稳定性能的影响。测试结果表明使用石墨粉作为微孔层的电池具有良好的稳定性,经7h恒电流放电后电池电压仅下降7%。结果表明微孔层的大孔结构有利于提高物质传输性能,且电池放电稳定性与微孔层的碳材料的疏水性有关,石墨化程度高的碳材料有利于维持良好的水热管理从而提高电池放电稳定性。第三,我们探索了膜电极阴极双催化层结构对电池性能的影响。催化层内层采用由铂碳催化剂和具有质子传递性能的Nafion混合制备,外层由铂碳催化剂、Nafion和疏水性物质PTFE混合制备。测试结果发现0.7V电流密度高达172m A cm-2,高于阴极单催化层的152m A cm-2。研究表明当双催化层采取总粘结剂含量5wt.%的PTFE比单催化层使用总粘结剂含量10wt.%的PTFE具有更高的电化学性能而基本不降低其水管理能力。这是因为双催化层减少了PTFE的使用量,获得了较高的质子传递效率,同时外层的PTFE可以在低电流密度下锁住催化层内部水分而在高电流密度下移除多余水分。第四,要提高阴极催化层的物质传输效率,孔结构和亲疏水性是提高性能的关键因素,我们通过溶胶凝胶法制备了Pt/CNT催化剂与商业Pt/C催化剂按不同质量比共混,结果发现当采取Pt/CNT30-Pt/C35比例时阴极的电化学活性显著提高,比使用单一催化剂具有更好的电池性能。研究结果表明碳纳米管由于其高度石墨化具有比Vulcan XC-72R更高的电导率,能大大改善催化层的电导率。同时管状结构的碳纳米管使催化层变得更加疏松多孔和使得气体渗透性提高。此外碳纳米管会改善阴极催化层的亲疏水性,提高水管理平衡而最终提高电池性能。最后,设计了四种不同结构的阴极开放流场板并将其组装测试,考察了阴极流场对于空气自呼吸质子交换膜燃料电池的影响。电池测试结果发现:减小气体流道出口面积,电流密度可提高40m A cm-2,采用不连续流道肋条流场结构时电池经8h恒电流放电后电池电压基本无下降。研究结果表明利用流道两端横截面积的区别可以降低压力降,同时流道肋条的不连续形成气体湍流可以显著提高电池放电稳定性,从而提高电池性能和稳定性。