鉅大LARGE | 點擊量：1125次 | 2020年03月18日
高性能燃料動力電池催化劑及其5kW常溫常壓免增濕電堆
常溫常壓免增濕質子交換膜燃料動力電池是現今國內外燃料動力電池研究的重要課題.常壓運行可用低能耗的風機取代高能耗的空氣壓縮機;常溫運行可使燃料動力電池在通常條件下迅速啟動,無需預熱,免去加熱系統,從而使輸出效率提高8%~10%,成本節省15%.
國內外在常溫常壓免增濕燃料動力電池以及常壓燃料動力電池電堆方面已有大量的研究.本文研制低溫活性pt/C催化劑,建立直接涂膜技術和免增濕技術,設計并裝配5kW常溫常壓免增濕燃料動力電池電堆.
1實驗
1.1催化劑
采用有機溶膠法制備.pt/C催化劑,批量生產10g,含鉑量20%.XRD檢測活性組分顆粒度;電化學方法測試活性比表面,甲醇氧化循環伏安法測催化劑電催化活性.
1.2電極
在紅外燈光照射下,借助即涂即干直接涂膜,制備膜電極.這可有效防止膜的溶脹,使催化劑與膜結合緊密,并形成多孔的立體催化劑涂層.電極的性能由ARBIN燃料動力電池測試系統檢測.
1.3免增濕技術與電堆設計
于催化層添加適量保濕劑,并設計合理的免增濕運行方式.
以國產石墨板作雙極板,機械銑削流場,間隔塊板設置采用冷卻板模式;橡膠材料密封,用數字式壓力機組裝電堆.
1.4電堆運行
使用pALTONG10kW燃料動力電池測試系統觀測電堆試運行.條件如下:空氣及氫氣均不加濕,不預熱,滿功率時空氣流速為350~400L/min,空氣從電堆流出后直接排空,氫氣流速60~70L/min,間歇排放,每運行10s排放1s;空氣和氫氣輸入壓力分別為10kpa和5kpa;氣體通入3~5s后,電堆即可滿功率運行.
2結果與討論
2.1pt/C催化劑特性
上述pt/C催化劑經XRD測試表明(圖略),其重要衍射峰明顯寬化,活性組分高度分散,按SCHERRER公式估算的顆粒度約為2.8nm.
實驗發現該催化劑經活化處理,除去催化劑表面吸附雜質后,其結晶形態無明顯變化,但顆粒度增大至3.0nm.圖1為10g批量制備的pt/C催化劑的TEM照片.
2.2pt/C催化劑電催化活性
圖2示出10g批量制備的pt/C催化劑電極在甲醇溶液中的循環伏安曲線.如圖可見:該催化劑(曲線b)對甲醇的電氧化具有良好的催化活性,其催化性能遠遠高于商品pt催化劑(曲線a,c).
2.3免增濕膜電極的結構及性能評價
圖3a給出由CCM技術制備的膜電極的極化曲線.與傳統涂碳紙法膜電極(圖3b)相比,顯示出更好的性能.
在電池溫度75℃和加濕溫度70℃條件下,本文自制的膜電極已達到幾乎與國內外膜電極相同水平(見圖4).
圖6示出免增濕5kW燃料動力電池電堆的照片.圖7給出常溫常壓免增濕5kW電堆的運行特性.電極先進行過預活化處理,而后組裝成電堆.電堆運行條件:電堆節數50片;空氣流量400L/min,氫氣流量75L/min,空氣直接排放,氫氣間歇排放.電堆無需預熱,空氣、氫氣也無需加濕.電堆持續運行10h,輸出功率基本穩定不變(見圖7).
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