PEMFC核心組件CCM催化層的組分設(shè)計(jì)及其耐久性的研究.pdf

1、本論文對(duì)催化層組分進(jìn)行了改變，進(jìn)一步優(yōu)化了催化層的結(jié)構(gòu)，并采用加速實(shí)驗(yàn)方法對(duì)CCM耐久性進(jìn)行了研究，該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要在電池工作條件下進(jìn)行，花費(fèi)時(shí)間少，并可以針對(duì)某—特定影響因素對(duì)CCM耐久性進(jìn)行研究。復(fù)雜性在于需要對(duì)CCM內(nèi)部的化學(xué)過(guò)程有深入的了解才能保證設(shè)計(jì)出符合客觀的加速實(shí)驗(yàn)，從而使準(zhǔn)確有效的分析CCM降解機(jī)理成為可能。 在催化層組分設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，首先采用兩種催化劑(40﹪和60﹪Pt/C)并改變催化層中Nafion樹(shù)脂含

2、量，接下來(lái)在親水電極催化層的組分中加入疏水劑PTFE，使其就有一定的疏水性，防止電極水淹現(xiàn)象的發(fā)生；最后再在此基礎(chǔ)上對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的CCM做了加速退化實(shí)驗(yàn)，主要設(shè)計(jì)了H2O，10﹪H2O2，30﹪H2O2和H2O2/Fe2+四種加速體系。研究發(fā)現(xiàn)： (1)對(duì)40﹪Pt/C電催化劑，與Nafion質(zhì)量比為3：1的催化層結(jié)構(gòu)最優(yōu)，其催化劑利用率相對(duì)比較高，單電池性能也比較穩(wěn)定。對(duì)于60﹪Pt/C電催化劑而言，與Nafion質(zhì)量比為4：

3、1、3：1的催化層，在單電池性能方面相差無(wú)幾，但是電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中，催化層中電催化劑與Nafion質(zhì)量比為4：1的CCM的催化劑利用率與交流阻抗要優(yōu)于另一種。其原因可能是60﹪電催化劑，堆積密度較大，空隙要小于40﹪Pt/C電催化劑，因此需要填充的Nafion要少一些，但是不能過(guò)少，過(guò)少則Nafion不能為H+的傳導(dǎo)形成一定的網(wǎng)絡(luò)。 (2)疏水劑的加入會(huì)增強(qiáng)CCM催化層的排水性，優(yōu)化了CCM結(jié)構(gòu)，有利于組裝后的單電池性能的穩(wěn)定性

4、。本實(shí)驗(yàn)條件下加入5﹪的PTFE的CCM組裝成的單電池性能最優(yōu)，若加入過(guò)多，則降低了單電池的性能。但是加入疏水劑的CCM盡管提高了單電池性能，但是在交流阻抗方面，催化層電阻要較同等條件下未加疏水劑的CCM要高，這是一個(gè)不好的現(xiàn)象。 (3)耐久性加速實(shí)驗(yàn)中CCM的退化主要發(fā)生表現(xiàn)在先對(duì)CCM催化層中用作粘結(jié)劑和質(zhì)子導(dǎo)體的Nafion進(jìn)攻，Nafion發(fā)生降解，粘結(jié)性降低，最后導(dǎo)致催化層的脫落，CCM失效。H2O，10﹪H2O2不會(huì)

5、對(duì)CCM造成顯著的破壞。30﹪H2O2和30﹪H2O2/Fe2+的加速體系將會(huì)對(duì)CCM催化層造成不同情況的降解，前者為類似層狀脫落降解，后者將導(dǎo)致Nafion裂隙式降解。兩種條件下的降解都是基于CF2端基的降解，但是不同點(diǎn)可能在于H2O2對(duì)于有含氧基缺陷的CF2端基降解沒(méi)有特別的選擇性，而H2O2/Fe2+的降解對(duì)這種含氧基缺陷處的CF2端基具有強(qiáng)烈的選擇性，這種選擇的差異性導(dǎo)致了最終降解機(jī)理的不同。H2O2對(duì)催化層表面的降解是均勻規(guī)則