質(zhì)子交換膜燃料電池關鍵材料制備技術——催化劑和新型膜電極研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFCs）為直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，在未來交通動力和固定電站等方面應用前景廣闊，被認為是二十一世紀重要的能量轉(zhuǎn)換技術之一。催化劑和膜電極（Membrane ElectrodeAssembly，MEA）為PEMFC的核心部件，不僅決定燃料電池系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，同時也決定燃料電池的成本和商業(yè)化進程。
　　 燃料電池性能與電

2、極反應的效率密切相關，而電極的反應效率主要由催化劑性能決定。燃料電池催化劑性能的主要控制因素為催化劑活性組分、催化劑載體以及催化劑制備方法。
　　 納米碳纖維（Carbon Nanofibers，CNFs）由于具有特殊的結構及優(yōu)異的物理化學性能而被重視。制備了基于納米碳纖維的Pt/CNFs催化劑，研究了納米碳纖維微結構對Pt/CNFs電催化劑催化性能的影響。TEM結果表明，Pt納米顆粒較為均勻的分散在納米碳纖維上，載于板式納米碳

3、纖維的Pt納米顆粒具有最小的顆粒直徑。XPS研究結果表明，Pt與板式納米碳纖維具有較強的相互作用，而與管式納米碳纖維的相互作用較弱。電化學測試表明，納米碳纖維微結構對Pt/CNFs催化劑ORR（Oxygen Reduction Reaction）和HOR（Hydrogen Oxidation Reaction）性能有重要影響?；诎迨郊{米碳纖維的電催化劑表現(xiàn)出最高電催化活性。在三種Pt/CNFs催化劑中，載于管式納米碳纖維的電催化劑表現(xiàn)

4、出最差的電催化活性。
　　 以Ir-V納米顆粒為活性組分，制備了Ir-V/p-CNFs和Ir-V/XC-72催化劑，對催化劑的ORR性能進行了研究。相對于Ir-V/XC-72，制備的Ir-V/p-CNFs具有較小的金屬顆粒直徑和較為均勻的金屬顆粒分布。同時，Ir-V/p-CNFs具有較強的金屬.載體相互作用。循環(huán)伏安研究結果表明，Ir-V/p-CNFS表現(xiàn)出較高的ORR起始還原電位和較高的ORR反應電流。圓盤電極研究表明，ORR

5、在Ir-V/p-CNFs電極上發(fā)生的主要是4電子反應。恒電位放電研究表明，Ir-V/p-CNFs具有較好的穩(wěn)定性。
　　 在對現(xiàn)有催化劑制備方法進行深入分析的基礎上，提出了一種脈沖微波輔助液相還原制備催化劑的方法。脈沖微波輔助液相化學還原法可以使Pt納米金屬顆粒負載在炭載體上。相對于商用催化劑，利用脈沖微波輔助液相化學還原法制備的電催化劑具有更小的顆粒直徑和更大的電化學比表面積。雖然脈沖微波輔助液相化學還原法制備的電催化劑Pt金

6、屬的負載量較少，但由于具有較小的粒徑，脈沖微波輔助液相化學還原法制備Pt電催化劑表現(xiàn)出更好的催化劑活性。然后，在前面的基礎上對催化劑的放大策略進行了研究，初步設計了催化劑放大制備裝置。
　　 對燃料電池MEA的作用、組成和制備工藝進行了討論，提出了一種基于納米碳纖維的新型燃料電池膜電極。以碳紙為基體，通過CGND（Chemical Catalytic VapourDepositionl）法制備了CNFs/CP復合物。這種復合物具