【摘 要】
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燃料电池是将燃料的化学能直接转变为电能的一种清洁、无污染的能量转换装置。不经历燃烧过程,不受卡诺循环的限制,故具有能量转换效率高的优点。膜电极作为燃料电池的核心部件,其性能的好坏直接决定燃料电池的性能,阴极氧还原反应作为燃料电池中最重要的反应,其缓慢的动力学反应严重影响了燃料电池的性能,因此需要使用较高活性的铂基催化剂。然而,目前自然界中铂的储量非常有限,阴离子交换膜燃料电池由于其电池噪声小、操作
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燃料电池是将燃料的化学能直接转变为电能的一种清洁、无污染的能量转换装置。不经历燃烧过程,不受卡诺循环的限制,故具有能量转换效率高的优点。膜电极作为燃料电池的核心部件,其性能的好坏直接决定燃料电池的性能,阴极氧还原反应作为燃料电池中最重要的反应,其缓慢的动力学反应严重影响了燃料电池的性能,因此需要使用较高活性的铂基催化剂。然而,目前自然界中铂的储量非常有限,阴离子交换膜燃料电池由于其电池噪声小、操作温度低、能量转换效率高、启动速度快、尤其是在碱性环境中氧还原反应较快,可以使用非贵金属催化剂等优点,备受科研工作者的关注。本文使用实验室自制的非贵金属Co-N-C和Co/Fe-N-C催化剂制备阴极催化层,研究了阴极催化层结构对燃料电池性能的影响。首先,针对Co-N-C催化剂,设计了不同离聚物含量（离聚物含量从30%-50%,以5%梯度递增）的催化层,离聚物含量较低时,催化剂不能被离聚物完全覆盖,降低了催化剂的利用率,离聚物含量较高时,导致催化剂和离聚物团聚,减少了三相界面面积,亦会增大传质损失,当离聚物含量为40%时,燃料电池性能最优。基于此离聚物含量,研究了不同溶剂对催化层结构的影响,发现溶剂的介电常数影响催化剂和离聚物的团聚尺寸,而相对挥发速率决定最终的催化层孔隙结构,在甲醇中的团聚颗粒尺寸是异丙醇和四氢呋喃的两倍左右,同时发现离聚物倾向于从高位置向低位置迁移的倾向,说明催化层快速的固化有利于离聚物的均匀分布。在此基础上,又研究了混合溶剂（异丙醇和四氢呋喃的不同体积比）对非贵金属Co/Fe-N-C催化层的影响,并比较了旋转圆盘电极离线测试和燃料电池在线测试的结果。结果发现,当体积比异丙醇:四氢呋喃=1:2时,制备的旋转圆盘电极和膜电极都展现了最佳的性能。这可能得益于混合溶剂中四氢呋喃占比较大,溶剂性质接近四氢呋喃,溶剂相对挥发速率较快,从而获得较好的电极和催化层结构。
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