【摘要】 燃料电池是一种将燃料反应的化学能转化为电能的装置,可分为氢氧质子交换膜燃料电池(PEMFCs)、直接甲醇燃料电池(DMFCs)和直接甲酸燃料电池等.与PEMFCs相比,DMFCs以甲醇为燃料,燃料的储存运输和电池操作运行具有较高的安全性,所以近年来受到人们的广泛关注.膜电极组件(MEA)是DMFCs的核心部分,由气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)三部分组成.GDL用于提高电池传质能力,并同时作为MEA的集流体.PEM主要用于隔离燃料和氧气,进行质子传导.CL是MEA中的主要组成部分,为电化学反应提供场所.催化层由催化剂,质子传输介质和电子传输介质组成.通常,阳极催化剂采用Pt Ru/C,阴极采用Pt/C,质子传输介质为全氟磺酸树脂,如Nafion.CL的结构对电池性能有直接的影响,因此人们对CL的结构进行了详细的研究,并通过调节CL亲水性能、梯度催化层的结构设计等优化其结构.研究表明,当CL中Nafion含量为33 wt.%,PEMFCs具有最佳的电池性能.DMFCs与PEMFCs对MEA要求不同,其阴极更容易发生水淹现象.本文结合非接触式三维光学轮廓仪、接触角测试系统和电化学测试对阴极不同Nafion含量的膜电极进行了表面形貌、亲水性、循环伏安和DMFC性能测试.本文利用喷涂法制备了GDE,然后与Nafion115热压形成MEA.由三维表面形貌图可以看出,随着催化层中Nafion含量的增加,GDE表面的粗糙度变大,尤其是N35和N45.理论上,表面粗糙有利于Pt的暴露和传质扩散,但是其电池性能并未与粗糙度呈现出正相关的关系,因为Nafion含量高于35 wt.%,Pt被Nafion过度包裹,抑制了O2至催化剂表面的传输,且随着Nafion含量由15 wt.%增加至45 wt.%,其GDE表面的接触角由166.8o减至143.1o,说明CL的亲水性增强,易导致阴极产生的水无法及时排出,从而造成阴极水淹现象.从不同Nafion含量制备MEA的CV图可以看出,随着Nafion含量的增加,Pt的电化学活性面积(ESA)增加.当Nafion含量较少时,Nafion无法对全部Pt纳米粒子(NPs)形成包覆或无法形成连贯的质子传输通道,从而导致大部分的Pt NPs催化活性较低变为无效Pt.而有效Pt NPs要求与连贯的质子传输通道相连接.当Nafion含量高于35 wt.%时,其ESA基本保持不变,因为Pt载量一定,从而限制了ESA,此时达到该载量条件下的极限ESA.但是电池极化曲线表明,30wt.%Nafion含量的MEA具有最佳的电池性能.因为有效Pt NPs不一定是高效的,当他们全部被Nafion包裹后,O2只能依靠溶解在Nafion中才可以到达催化剂表面,从而阻碍传质.只有Pt NPs表面包裹和暴露面积达到一定比例时才变得高效.所以当Nafion含量低于30 wt.%时,主要由质子传输通道导致的有效Pt NPs较少;当Nafion含量高于30 wt.%时,出现Nafion过度包裹Pt NPs,阻碍O2传质.因此,Nafion含量30 wt.%时,Pt的包裹面积和裸露面积达到所研究的最佳状态.更多还原

【Abstract】 Cathode catalyst layers(CLs) with varying ionomer(Nafion) contents were prepared and the direct methanol fuel cell structure and catalytic behavior were investigated as a function of ionomer con-tent. CL roughness and thickness increased with increasing Nafion content. Contact angle mea-surements determined that CL hydrophilicity also increased as a function of Nafion content. Poor bonding between the CL, microporous layer, and the proton exchange membrane was obtained when the ionomer content was too low. The electrochemical surface areas(ESAs) were found to increase with increasing Nafion content before reaching an asymptote at elevated loading levels. However, upon increasing the ionomer content above 30 wt.%, the water and oxygen mass transfer properties were difficult to control. Considering the above conditions, N30(30 wt.% Nafion) was found to be the optimal level to effectively extend the three-phase boundaries and enhance cell performance.更多还原