鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1118次 | 2020年03月18日
高性能燃料動(dòng)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(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外燃料動(dòng)力電池研究的重要課題.常壓運(yùn)行可用低能耗的風(fēng)機(jī)取代高能耗的空氣壓縮機(jī);常溫運(yùn)行可使燃料動(dòng)力電池在通常條件下迅速啟動(dòng),無(wú)需預(yù)熱,免去加熱系統(tǒng),從而使輸出效率提高8%~10%,成本節(jié)省15%.
國(guó)內(nèi)外在常溫常壓免增濕燃料動(dòng)力電池以及常壓燃料動(dòng)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(shù)和免增濕技術(shù),設(shè)計(jì)并裝配5kW常溫常壓免增濕燃料動(dòng)力電池電堆.
1實(shí)驗(yàn)
1.1催化劑
采用有機(jī)溶膠法制備.pt/C催化劑,批量生產(chǎn)10g,含鉑量20%.XRD檢測(cè)活性組分顆粒度;電化學(xué)方法測(cè)試活性比表面,甲醇氧化循環(huán)伏安法測(cè)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(jié)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(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè).
1.3免增濕技術(shù)與電堆設(shè)計(jì)
于催化層添加適量保濕劑,并設(shè)計(jì)合理的免增濕運(yùn)行方式.
以國(guó)產(chǎn)石墨板作雙極板,機(jī)械銑削流場(chǎng),間隔塊板設(shè)置采用冷卻板模式;橡膠材料密封,用數(shù)字式壓力機(jī)組裝電堆.
1.4電堆運(yùn)行
使用pALTONG10kW燃料動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)觀測(cè)電堆試運(yùn)行.條件如下:空氣及氫氣均不加濕,不預(yù)熱,滿(mǎn)功率時(shí)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(yùn)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(mǎn)功率運(yùn)行.
2結(jié)果與討論
2.1pt/C催化劑特性
上述pt/C催化劑經(jīng)XRD測(cè)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該催化劑經(jīng)活化處理,除去催化劑表面吸附雜質(zhì)后,其結(jié)晶形態(tài)無(wú)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(huán)伏安曲線.如圖可見(jiàn):該催化劑(曲線b)對(duì)甲醇的電氧化具有良好的催化活性,其催化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商品pt催化劑(曲線a,c).
2.3免增濕膜電極的結(jié)構(gòu)及性能評(píng)價(jià)
圖3a給出由CCM技術(shù)制備的膜電極的極化曲線.與傳統(tǒng)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(dá)到幾乎與國(guó)內(nèi)外膜電極相同水平(見(jiàn)圖4).
圖6示出免增濕5kW燃料動(dòng)力電池電堆的照片.圖7給出常溫常壓免增濕5kW電堆的運(yùn)行特性.電極先進(jìn)行過(guò)預(yù)活化處理,而后組裝成電堆.電堆運(yùn)行條件:電堆節(jié)數(shù)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(wú)需預(yù)熱,空氣、氫氣也無(wú)需加濕.電堆持續(xù)運(yùn)行10h,輸出功率基本穩(wěn)定不變(見(jiàn)圖7).
