【摘 要】
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碱性膜燃料电池凭借着可利用价格较为低廉的非贵金属作为催化剂的优势而具有较好的前景。目前,针对于碱性膜燃料电池的研究正处于高速发展的阶段,已经有很多国内外的研究人员深耕于开发新型的碱性膜及碱性离聚物,或制备阳/阴极低铂及无铂催化剂等领域。随着碱性膜燃料电池在材料方面的各种突破,研究者也深入地对电池性能的各项影响因素进行了探索,包括电池内部不平衡的水管理、膜电极的催化剂层和扩散层厚度、催化剂与离聚物的
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碱性膜燃料电池凭借着可利用价格较为低廉的非贵金属作为催化剂的优势而具有较好的前景。目前,针对于碱性膜燃料电池的研究正处于高速发展的阶段,已经有很多国内外的研究人员深耕于开发新型的碱性膜及碱性离聚物,或制备阳/阴极低铂及无铂催化剂等领域。随着碱性膜燃料电池在材料方面的各种突破,研究者也深入地对电池性能的各项影响因素进行了探索,包括电池内部不平衡的水管理、膜电极的催化剂层和扩散层厚度、催化剂与离聚物的负载量、膜电极的制备工艺、燃料电池运行时的参数设置等方面,以上因素都会影响到电池的实际性能。本文以优化碱性膜燃料电池的膜电极作为着眼点,以控制变量的思想为指导,对催化剂墨水中可能影响燃料电池表现的因素开展研究:（1）本实验制备了一系列催化剂墨水,选取超声喷涂墨水工艺制备了膜电极,将膜电极组装成单电池进行了性能测试。首先,选取了40w.t.%Pt-20w.t.%Ru/C作为阳极催化剂,40w.t.%Pt/C作为阴极催化剂,PAP-TP-100作为阳/阴极离聚物,并依次制备了阳极侧不同离聚物比例配方催化剂墨水。测试表明,当阴极配方一致时,阳极侧离聚物的比例对电池性能有明显影响,但是当离聚物比例增加时,电池性能并不是随之增加。相反地,存在一个最佳比例,使电池表现出最佳性能。然后,选取了40w.t.%Pt-20w.t.%Ru/C为阳极催化剂,40w.t.%Pt/C为阴极催化剂,PAP-TP-100作为阳极离聚物,PAP-BP-100、PAP-MTP-100、PAP-TP-85-MNQ分别作为阴极离聚物,完成阴极侧不同配方催化剂墨水的制备。测试表明,离聚物的种类对燃料电池的性能有一定的影响,当离聚物的离子导电率越高时,燃料电池能够达到的峰值功率密度也越高。进一步考察了催化剂铂含量的影响,将40w.t.%Pt/C改为60w.t.%Pt/C,完成阴极侧不同配方的催化剂墨水配制。测试表明,催化剂的种类对燃料电池性能也有影响,当铂载量相同时,用量少的催化剂形成的催化剂层更薄,有利于传质过程,并使燃料电池性能表现更好。（2）合成了系列PtX（X=Co、Ni、Cr、Cu、Mn）催化剂,对其进行了单电池性能测试。测试结果表明阳极催化剂为Pt Mn,催化剂与PAP-TP-100比例为0.45;阴极催化剂为40w.t.%Pt/C,催化剂与PAP-TP-85-MNQ比例为0.6时,单电池产生了1.63 W·cm-2的峰值功率密度。通过引入其他金属元素得到的合金催化剂,在降低一定材料成本的同时也获得了较为可观的电池性能,为碱性膜燃料电池阳极催化剂的研究提供了新的思路。
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