1、质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池电极制备电极制备Seminar 专业：化学工程专业：化学工程学生：马海鹏（学生：马海鹏（20032003级）级）导师：张华民导师：张华民 研究员研究员Seminar 主要内容主要内容 厚层憎水催化层电极厚层憎水催化层电极 薄层亲水催化层电极薄层亲水催化层电极 超薄催化层电极超薄催化层电极 双层催化层电极双层催化层电极不同类型电极不同类型电极 PEMFC工作原理及对电极要求工作原理及对电极要求总结与展望总结与展望主要参考文献主要参考文献Seminar PEMFC工作原理工作原理Seminar 高活性催化剂高活性催化剂质子通道质子通道电子通道电子通道反应气通道反
2、应气通道生成水通道生成水通道热的良导体热的良导体一定机械强度一定机械强度工作条件下稳定工作条件下稳定电极要求电极要求 电极分类电极分类厚层憎水催化层电极厚层憎水催化层电极薄层亲水催化层电极薄层亲水催化层电极超薄催化层电极超薄催化层电极双层催化层电极双层催化层电极合理合理分配分配降低降低担量担量Seminar 主要内容主要内容 厚层憎水催化层电极厚层憎水催化层电极 薄层亲水催化层电极薄层亲水催化层电极 超薄催化层电极超薄催化层电极 双层催化层电极双层催化层电极发展与展望发展与展望不同类型电极不同类型电极 PEMFC工作原理及电极要求工作原理及电极要求Seminar 厚层憎水催化层电极厚层憎水催化
3、层电极厚层憎水催化层电极工艺流程厚层憎水催化层电极工艺流程Seminar Pt/C 电催化剂电催化剂PTFENafion树脂树脂碳纸碳纸气体传递气体传递水传递水传递电子传递电子传递质子传递质子传递四种传递通道四种传递通道Pt/c:PTFE:Nafion = 54:23:23（质量比）质量比）氧电极氧电极Pt担量担量：0.30.5 mg/cm2氢电极氢电极Pt担量担量：0.10.3 mg/cm2Seminar 传统工艺，技术成熟，大多采用传统工艺，技术成熟，大多采用催化层催化层/扩散层憎水，利于生成水排出扩散层憎水，利于生成水排出厚层憎水催化层电极特点厚层憎水催化层电极特点采用采用PTFE做疏水
4、剂，不利于质子、电子传导做疏水剂，不利于质子、电子传导催化层至膜的催化层至膜的Nafion变化梯度大，不利于变化梯度大，不利于Nafion膜与催化层粘合。电池长时间运行，电膜与催化层粘合。电池长时间运行，电极与膜局部剥离，增加接触电阻。极与膜局部剥离，增加接触电阻。电极电极 PTFESeminar 薄层亲水电极的制备工艺流程薄层亲水电极的制备工艺流程 薄层亲水催化层电极薄层亲水催化层电极Seminar 溶解氧在水中扩散系数溶解氧在水中扩散系数 10-410-5 cm2/s溶解氧在溶解氧在Nafion扩散系数扩散系数 10-5 cm2/s cm2/s催化层内传递通道催化层内传递通道Pt/C电催化
5、剂电催化剂Nafion树脂树脂水和水和Nafion内溶解扩散内溶解扩散水传递水传递电子传递电子传递质子传递质子传递气体传递气体传递催化层催化层55mmPt担量担量0.10.05mg/cm2Seminar 加入一定比例加入一定比例 造孔剂和憎水剂造孔剂和憎水剂薄层亲水催化层电极改进薄层亲水催化层电极改进 Pt/C电催化剂与电催化剂与 Nafion比例优化比例优化 Pt/C: Nafion=3:1（质量比）质量比） Pt/C电催化剂与造孔剂电催化剂与造孔剂 （草酸氨）比例优化（草酸氨）比例优化 Pt /C: (NH4)C2O4 = 1:1（质量比）质量比）020040060080010000.20
6、.30.40.50.60.70.80.91.01.1 Wilson New单池电压单池电压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA/cm2电极催化层制作方法的比较电极催化层制作方法的比较Nafion含量（质量比）对含量（质量比）对电池性能的影响电池性能的影响020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 25% 10% 0% 50% 80%单池电压 单池电压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA/cm2020040060080010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 1:1 1:2 0单池电压单池电
7、压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA.cm-2电极中造孔剂含量（质量比）电极中造孔剂含量（质量比）对电池性能的影响对电池性能的影响Nafion 115, 80,H2/O2 0.3/0.5Mpa 增湿增湿85 Seminar 经过改进薄层亲水电极与传统经过改进薄层亲水电极与传统工艺电极性能比较工艺电极性能比较Seminar 薄层亲水催化层电极特点薄层亲水催化层电极特点 有利于电极催化层与膜紧密结合有利于电极催化层与膜紧密结合 Pt/C催化剂与催化剂与Nafion型质子导体保持良好接触，催化层型质子导体保持良好接触，催化层中质子、电子传导性好中质子、电子传导性好 催化层中只有催化剂与
8、催化层中只有催化剂与Nafion，催化剂分布比较均匀催化剂分布比较均匀 催化层厚度薄，催化层厚度薄，Pt担量降低担量降低催化层内无疏水剂，气体传质能力低催化层内无疏水剂，气体传质能力低尽量减薄催化层厚度尽量减薄催化层厚度Seminar 真空溅射示意图真空溅射示意图超薄催化层电极超薄催化层电极 Pt Pt催化层厚催化层厚度度11mm，一般一般为几十纳米。为几十纳米。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真空溅射电极与普通电极性能比较真空溅射电极与普通电极性能比较干燥氢、氧干燥氢、氧(0.1(0.1MPa);MPa);膜；膜；Nafion 115Nafion 115；电池温度室温电池温度室温最大功率密度最大功率密度 5 5 ：3 3PtPt担量担量 10 10 ：1 1 Seminar 真空溅射电极特点真空溅射电极特点极大减薄催化层厚度，极大减薄催化层厚度，Pt 担量显著降低；担量显著降低；改善改善MEAMEA内部电接触；内部电接触；减薄减薄CLCL，在大电流密度放电时，减小了传质阻力。在大电流密度放电时，减小了传质阻力。制备工艺复
10、杂，制造成本较高，不适用于大批量生产；制备工艺复杂，制造成本较高，不适用于大批量生产；在在CL CL 表面溅射的表面溅射的Pt Pt 层，增加了气体向催化层传递及层，增加了气体向催化层传递及排水阻力。排水阻力。寿命与稳定性较差寿命与稳定性较差Seminar Pt/CPt/C与与PtRu/CPtRu/C为阳极催化剂，以纯为阳极催化剂，以纯氢及氢及5353ppmCO/HppmCO/H2 2时电池的性能比较时电池的性能比较 双层催化层电极双层催化层电极E E1 1: :厚层憎水电极，厚厚层憎水电极，厚4040m m，0.3mgPt/cm0.3mgPt/cm2 2E E3 3: :薄层亲水电极，厚薄层
11、亲水电极，厚5 5m m，0.02mgPt/cm0.02mgPt/cm2 2 厚层憎水与薄层亲水电极厚层憎水与薄层亲水电极以纯氢及以纯氢及5353ppmCO/HppmCO/H2 2时的电池性能时的电池性能 Seminar 1.1.气体扩散层气体扩散层2.2.外层催化层：外层催化层：PtPtRu/CRu/C 厚层憎水厚层憎水 氧化氧化 CO/HCO/H2 23.3.内层催化层：内层催化层：Pt/CPt/C 亲水薄层亲水薄层 氧化纯氧化纯H H2 24.4.NafionNafion膜膜阳极复合催化层结构阳极复合催化层结构多孔介质中的传质速度：多孔介质中的传质速度：H H2 2 COCO，Pt-Ru
12、/CPt-Ru/C电催化剂上的吸附：电催化剂上的吸附：CO CO H H2 2双层催化层电极设计双层催化层电极设计Seminar 单催化层单催化层E E2 2和双催化层和双催化层E E5 5电极性能比较（纯氢燃料）电极性能比较（纯氢燃料） E5E5：外层催化层：外层催化层：PtPtRu/CRu/C Pt 20 Pt 20，Ru 10Ru 10 厚层憎水厚层憎水 （4040mm） 内层催化层：内层催化层：Pt/C Pt/C Pt 0.02 mg/cm Pt 0.02 mg/cm2 2 亲水薄层（亲水薄层（5 5mm）E2E2：PtPtRu/CRu/C单层憎水催化层电极单层憎水催化层电极 0200
13、40060080010000.600.650.700.750.800.850.900.951.00 E2, H2 E5, H2单池电压 单池电压 / V电 流 密 度 电 流 密 度 / mA.cm-202004006000.40.50.60.70.80.91.0 E2, H2/50ppmCO E5, H2/50ppmCO 单池电压 单池电压 / V电 流 密 度电 流 密 度 / mA.cm-2)单催化层单催化层E E2 2和双催化层和双催化层E E5 5电极性能比较（电极性能比较（H H2 2+50ppmCO+50ppmCO） H2/H2+CO：双层电极性能优于传统厚层憎水电极双层电极性能
14、优于传统厚层憎水电极Seminar 总结与展望总结与展望 目前提出了多种电极制备方法，通过优化结构进一目前提出了多种电极制备方法，通过优化结构进一 步提高了的步提高了的PEMFCPEMFC性能；性能； PtPt担量降低。目前商用担量降低。目前商用MEA PtMEA Pt担量为担量为0.40.4mg/cmmg/cm2 2左右，左右，实验室制备实验室制备MEA PtMEA Pt担量已经降低到担量已经降低到0.10.1mg/cmmg/cm2 2以下以下; ; CLCL厚度减薄，实验室制备厚度减薄，实验室制备1 1mm。传统厚层憎水电极传统厚层憎水电极CLCL比较厚、比较厚、NafionNafion与
15、与PtPt 颗粒的颗粒的 接触不充分以及接触不充分以及CLCL与与PEMPEM之间的界面结合稳定性差；之间的界面结合稳定性差；薄层亲水电极气体传递较差；薄层亲水电极气体传递较差；真空溅射工艺复杂，成本高，不易大批量生产。真空溅射工艺复杂，成本高，不易大批量生产。 提高催化剂活性，降低催化剂担量；提高催化剂活性，降低催化剂担量； 提高薄层电极寿命与稳定性；提高薄层电极寿命与稳定性； 根据不同电极特点，复合制备工艺。根据不同电极特点，复合制备工艺。Seminar 主要参考文献主要参考文献 1. 1.衣宝廉衣宝廉. .燃料电池燃料电池原理原理技术技术应用应用. .北京北京: : 化学工业出版社化学工
16、业出版社, 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
17、 al. J Power Sources 2003(123)1 8. E-A Ticianelli et al. J Electrochem.Soc. 1988(135)2209 9. M.S Wilson et al. US Pat. 15,234,777 10. E.Antolini, Mater.Chem.Phys, 2003(78), 563 11. S.Lister,G.McLean. J.Power Sources, 2004(130),61 12. V. Mehta, J.S. Cooper.J. Power Sources 2003 (114) 32Seminar 谢谢 谢！谢！
