質(zhì)子交換膜燃料電池電極制備課件

1、質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池電極制備電極制備Seminar 專業(yè)：化學(xué)工程專業(yè)：化學(xué)工程學(xué)生：馬海鵬（學(xué)生：馬海鵬（20032003級）級）導(dǎo)師：張華民導(dǎo)師：張華民 研究員研究員Seminar 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 厚層憎水催化層電極厚層憎水催化層電極 薄層親水催化層電極薄層親水催化層電極 超薄催化層電極超薄催化層電極 雙層催化層電極雙層催化層電極不同類型電極不同類型電極 PEMFC工作原理及對電極要求工作原理及對電極要求總結(jié)與展望總結(jié)與展望主要參考文獻主要參考文獻Seminar PEMFC工作原理工作原理Seminar 高活性催化劑高活性催化劑質(zhì)子通道質(zhì)子通道電子通道電子通道反應(yīng)氣通道反

2、應(yīng)氣通道生成水通道生成水通道熱的良導(dǎo)體熱的良導(dǎo)體一定機械強度一定機械強度工作條件下穩(wěn)定工作條件下穩(wěn)定電極要求電極要求 電極分類電極分類厚層憎水催化層電極厚層憎水催化層電極薄層親水催化層電極薄層親水催化層電極超薄催化層電極超薄催化層電極雙層催化層電極雙層催化層電極合理合理分配分配降低降低擔(dān)量擔(dān)量Seminar 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 厚層憎水催化層電極厚層憎水催化層電極 薄層親水催化層電極薄層親水催化層電極 超薄催化層電極超薄催化層電極 雙層催化層電極雙層催化層電極發(fā)展與展望發(fā)展與展望不同類型電極不同類型電極 PEMFC工作原理及電極要求工作原理及電極要求Seminar 厚層憎水催化層電極厚層憎水催化

3、層電極厚層憎水催化層電極工藝流程厚層憎水催化層電極工藝流程Seminar Pt/C 電催化劑電催化劑PTFENafion樹脂樹脂碳紙?zhí)技垰怏w傳遞氣體傳遞水傳遞水傳遞電子傳遞電子傳遞質(zhì)子傳遞質(zhì)子傳遞四種傳遞通道四種傳遞通道Pt/c:PTFE:Nafion = 54:23:23（質(zhì)量比）質(zhì)量比）氧電極氧電極Pt擔(dān)量擔(dān)量：0.30.5 mg/cm2氫電極氫電極Pt擔(dān)量擔(dān)量：0.10.3 mg/cm2Seminar 傳統(tǒng)工藝，技術(shù)成熟，大多采用傳統(tǒng)工藝，技術(shù)成熟，大多采用催化層催化層/擴散層憎水，利于生成水排出擴散層憎水，利于生成水排出厚層憎水催化層電極特點厚層憎水催化層電極特點采用采用PTFE做疏水

4、劑，不利于質(zhì)子、電子傳導(dǎo)做疏水劑，不利于質(zhì)子、電子傳導(dǎo)催化層至膜的催化層至膜的Nafion變化梯度大，不利于變化梯度大，不利于Nafion膜與催化層粘合。電池長時間運行，電膜與催化層粘合。電池長時間運行，電極與膜局部剝離，增加接觸電阻。極與膜局部剝離，增加接觸電阻。電極電極 PTFESeminar 薄層親水電極的制備工藝流程薄層親水電極的制備工藝流程 薄層親水催化層電極薄層親水催化層電極Seminar 溶解氧在水中擴散系數(shù)溶解氧在水中擴散系數(shù) 10-410-5 cm2/s溶解氧在溶解氧在Nafion擴散系數(shù)擴散系數(shù) 10-5 cm2/s cm2/s催化層內(nèi)傳遞通道催化層內(nèi)傳遞通道Pt/C電催化

5、劑電催化劑Nafion樹脂樹脂水和水和Nafion內(nèi)溶解擴散內(nèi)溶解擴散水傳遞水傳遞電子傳遞電子傳遞質(zhì)子傳遞質(zhì)子傳遞氣體傳遞氣體傳遞催化層催化層55mmPt擔(dān)量擔(dān)量0.10.05mg/cm2Seminar 加入一定比例加入一定比例 造孔劑和憎水劑造孔劑和憎水劑薄層親水催化層電極改進薄層親水催化層電極改進 Pt/C電催化劑與電催化劑與 Nafion比例優(yōu)化比例優(yōu)化 Pt/C: Nafion=3:1（質(zhì)量比）質(zhì)量比） Pt/C電催化劑與造孔劑電催化劑與造孔劑 （草酸氨）比例優(yōu)化（草酸氨）比例優(yōu)化 Pt /C: (NH4)C2O4 = 1:1（質(zhì)量比）質(zhì)量比）020040060080010000.20

6、.30.40.50.60.70.80.91.01.1 Wilson New單池電壓單池電壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA/cm2電極催化層制作方法的比較電極催化層制作方法的比較Nafion含量（質(zhì)量比）對含量（質(zhì)量比）對電池性能的影響電池性能的影響020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 25% 10% 0% 50% 80%單池電壓 單池電壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA/cm2020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 1:1 1:2 0單池電壓單池電

7、壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA.cm-2電極中造孔劑含量（質(zhì)量比）電極中造孔劑含量（質(zhì)量比）對電池性能的影響對電池性能的影響Nafion 115, 80,H2/O2 0.3/0.5Mpa 增濕增濕85 Seminar 經(jīng)過改進薄層親水電極與傳統(tǒng)經(jīng)過改進薄層親水電極與傳統(tǒng)工藝電極性能比較工藝電極性能比較Seminar 薄層親水催化層電極特點薄層親水催化層電極特點 有利于電極催化層與膜緊密結(jié)合有利于電極催化層與膜緊密結(jié)合 Pt/C催化劑與催化劑與Nafion型質(zhì)子導(dǎo)體保持良好接觸，催化層型質(zhì)子導(dǎo)體保持良好接觸，催化層中質(zhì)子、電子傳導(dǎo)性好中質(zhì)子、電子傳導(dǎo)性好 催化層中只有催化劑與

8、催化層中只有催化劑與Nafion，催化劑分布比較均勻催化劑分布比較均勻 催化層厚度薄，催化層厚度薄，Pt擔(dān)量降低擔(dān)量降低催化層內(nèi)無疏水劑，氣體傳質(zhì)能力低催化層內(nèi)無疏水劑，氣體傳質(zhì)能力低盡量減薄催化層厚度盡量減薄催化層厚度Seminar 真空濺射示意圖真空濺射示意圖超薄催化層電極超薄催化層電極 Pt Pt催化層厚催化層厚度度11mm，一般一般為幾十納米。為幾十納米。Seminar Catalyst layerPower density at 0.6V(mW/cm2)Max power density (mW/cm2)Commercial MEA, 0.4 mg Pt/cm2345015 nm t

9、hin-film Pt, 0.04 mg Pt/cm21733真空濺射電極與普通電極性能比較真空濺射電極與普通電極性能比較干燥氫、氧干燥氫、氧(0.1(0.1MPa);MPa);膜；膜；Nafion 115Nafion 115；電池溫度室溫電池溫度室溫最大功率密度最大功率密度 5 5 ：3 3PtPt擔(dān)量擔(dān)量 10 10 ：1 1 Seminar 真空濺射電極特點真空濺射電極特點極大減薄催化層厚度，極大減薄催化層厚度，Pt 擔(dān)量顯著降低；擔(dān)量顯著降低；改善改善MEAMEA內(nèi)部電接觸；內(nèi)部電接觸；減薄減薄CLCL，在大電流密度放電時，減小了傳質(zhì)阻力。在大電流密度放電時，減小了傳質(zhì)阻力。制備工藝復(fù)

10、雜，制造成本較高，不適用于大批量生產(chǎn)；制備工藝復(fù)雜，制造成本較高，不適用于大批量生產(chǎn)；在在CL CL 表面濺射的表面濺射的Pt Pt 層，增加了氣體向催化層傳遞及層，增加了氣體向催化層傳遞及排水阻力。排水阻力。壽命與穩(wěn)定性較差壽命與穩(wěn)定性較差Seminar Pt/CPt/C與與PtRu/CPtRu/C為陽極催化劑，以純?yōu)殛枠O催化劑，以純氫及氫及5353ppmCO/HppmCO/H2 2時電池的性能比較時電池的性能比較 雙層催化層電極雙層催化層電極E E1 1: :厚層憎水電極，厚厚層憎水電極，厚4040m m，0.3mgPt/cm0.3mgPt/cm2 2E E3 3: :薄層親水電極，厚薄層

11、親水電極，厚5 5m m，0.02mgPt/cm0.02mgPt/cm2 2 厚層憎水與薄層親水電極厚層憎水與薄層親水電極以純氫及以純氫及5353ppmCO/HppmCO/H2 2時的電池性能時的電池性能 Seminar 1.1.氣體擴散層氣體擴散層2.2.外層催化層：外層催化層：PtPtRu/CRu/C 厚層憎水厚層憎水 氧化氧化 CO/HCO/H2 23.3.內(nèi)層催化層：內(nèi)層催化層：Pt/CPt/C 親水薄層親水薄層 氧化純氧化純H H2 24.4.NafionNafion膜膜陽極復(fù)合催化層結(jié)構(gòu)陽極復(fù)合催化層結(jié)構(gòu)多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)速度：多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)速度：H H2 2 COCO，Pt-Ru

12、/CPt-Ru/C電催化劑上的吸附：電催化劑上的吸附：CO CO H H2 2雙層催化層電極設(shè)計雙層催化層電極設(shè)計Seminar 單催化層單催化層E E2 2和雙催化層和雙催化層E E5 5電極性能比較（純氫燃料）電極性能比較（純氫燃料） E5E5：外層催化層：外層催化層：PtPtRu/CRu/C Pt 20 Pt 20，Ru 10Ru 10 厚層憎水厚層憎水 （4040mm） 內(nèi)層催化層：內(nèi)層催化層：Pt/C Pt/C Pt 0.02 mg/cm Pt 0.02 mg/cm2 2 親水薄層（親水薄層（5 5mm）E2E2：PtPtRu/CRu/C單層憎水催化層電極單層憎水催化層電極 0200

13、40060080010000.600.650.700.750.800.850.900.951.00 E2, H2 E5, H2單池電壓 單池電壓 / V電 流 密 度 電 流 密 度 / mA.cm-202004006000.40.50.60.70.80.91.0 E2, H2/50ppmCO E5, H2/50ppmCO 單池電壓 單池電壓 / V電 流 密 度電 流 密 度 / mA.cm-2)單催化層單催化層E E2 2和雙催化層和雙催化層E E5 5電極性能比較（電極性能比較（H H2 2+50ppmCO+50ppmCO） H2/H2+CO：雙層電極性能優(yōu)于傳統(tǒng)厚層憎水電極雙層電極性能

14、優(yōu)于傳統(tǒng)厚層憎水電極Seminar 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 目前提出了多種電極制備方法，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)進一目前提出了多種電極制備方法，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)進一 步提高了的步提高了的PEMFCPEMFC性能；性能； PtPt擔(dān)量降低。目前商用擔(dān)量降低。目前商用MEA PtMEA Pt擔(dān)量為擔(dān)量為0.40.4mg/cmmg/cm2 2左右，左右，實驗室制備實驗室制備MEA PtMEA Pt擔(dān)量已經(jīng)降低到擔(dān)量已經(jīng)降低到0.10.1mg/cmmg/cm2 2以下以下; ; CLCL厚度減薄，實驗室制備厚度減薄，實驗室制備1 1mm。傳統(tǒng)厚層憎水電極傳統(tǒng)厚層憎水電極CLCL比較厚、比較厚、NafionNafion與

15、與PtPt 顆粒的顆粒的 接觸不充分以及接觸不充分以及CLCL與與PEMPEM之間的界面結(jié)合穩(wěn)定性差；之間的界面結(jié)合穩(wěn)定性差；薄層親水電極氣體傳遞較差；薄層親水電極氣體傳遞較差；真空濺射工藝復(fù)雜，成本高，不易大批量生產(chǎn)。真空濺射工藝復(fù)雜，成本高，不易大批量生產(chǎn)。 提高催化劑活性，降低催化劑擔(dān)量；提高催化劑活性，降低催化劑擔(dān)量； 提高薄層電極壽命與穩(wěn)定性；提高薄層電極壽命與穩(wěn)定性； 根據(jù)不同電極特點，復(fù)合制備工藝。根據(jù)不同電極特點，復(fù)合制備工藝。Seminar 主要參考文獻主要參考文獻 1. 1.衣寶廉衣寶廉. .燃料電池燃料電池原理原理技術(shù)技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用. .北京北京: : 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工

16、業(yè)出版社, 2003, 2003 2. E.Antolini, J.Appl.Electrochem. 2004(34), 563 3. S.Litster, J.Power Sources, 2004(78) 61 4. Costamagana P, Srinivasan S. J Power Sources 2001,( 102)242 5. Costamagana P, Srinivasan S. J Power Sources 2001, (102)253 6. W.M.Yan et al. J Electroanal. Chem. 2003(546),73 7. H-S Chu et al. J Power Sources 2003(123)1 8. E-A Ticiane