高性能燃料电池催化剂及其5kW常温常压免增湿电堆

常温常压免增湿质子交换膜燃料电池是现今国内外燃料电池研究的重要课题.常压运行可用低能耗的风机取代高能耗的空气压缩机;常温运行可使燃料电池在通常条件下迅速启动,无需预热,免去加热系统,从而使输出效率提高8% ~ 10%,成本节省15%.

国内外在常温常压免增湿燃料电池以及常压燃料电池电堆方面已有大量的研究. 本文研制低温活性Pt/C催化剂,建立直接涂膜技术和免增湿技术,设计并装配5 kW常温常压免增湿燃料电池电堆.

1 实验

1.1 催化剂

采用有机溶胶法制备. Pt/C催化剂,批量 生产10 g,含铂量20%. XRD检测活性组分颗粒度;电化学方法测试活性比表面,甲醇氧化循环伏安法测催化剂电催化活性.

1.2 电极

在红外灯光照射下,借助即涂即干直接涂膜, 制备膜电极.这可有效防止膜的溶胀,使催化剂与膜结合紧密,并形成多孔的立体催化剂涂层. 电极的性能由ARBIN燃料电池测试系统检测.

1.3 免增湿技术与电堆设计

于催化层添加适量保湿剂,并设计合理的免增湿运行方式.

以国产石墨板作双极板,机械铣削流场,间隔块板设置采用冷却板模式;橡胶材料密封,用数字式压力机组装电堆.

1.4 电堆运行

使用PALTONG 10kW燃料电池测试系统观测电堆试运行.条件如下:空气及氢气均不加湿,不预热,满功率时空气流速为350~400 L/min,空气从 电堆流出后直接排空,氢气流速60~70 L/min,间 歇排放,每运行10 s排放1 s;空气和氢气输入压力 分别为10kPa和5 kPa;气体通入3~5 s后,电堆 即可满功率运行.

2 结果与讨论

2.1 Pt/C催化剂特性

上述Pt/C催化剂经XRD测试表明(图略), 其主要衍射峰明显宽化,活性组分高度分散,按SCHERRER公式估算的颗粒度约为2. 8 nm.

图1　有机溶胶法制备的20% (bymass) Pt/C催化剂的TEM照片

Fig. 1　The TEM images of the 20% (bymass) Pt/C catalystprepared by organic colloidalmethed

实验发现该催化剂经活化处理,除去催化剂表面吸附杂质后,其结晶形态无明显变化,但颗粒度增大至3. 0 nm.图1为10 g批量制备的Pt/C催化剂的TEM照片.

2.2 Pt/C催化剂电催化活性

图2示出10 g批量制备的Pt/C催化剂电极在甲醇溶液中的循环伏安曲线.如图可见:该催化剂(曲线b)对甲醇的电氧化具有良好的催化活性, 其催化性能远远高于商品Pt催化剂(曲线a, c).

2.3 免增湿膜电极的结构及性能评价

图3a给出由CCM技术制备的膜电极的极化曲线.与传统涂碳纸法膜电极(图3b)相比,显示出更好的性能.

在电池温度75℃和加湿温度70℃条件下,本文自制的膜电极已达到几乎与国内外膜电极相同水平(见图4).

还需指出,本文自制膜电极具有良好的低温活 性,如在室温下运行其输出功率密度几乎可以达到 与75℃下运行的水平.

图5示出直接涂膜电极的SEM照片.从图可 以看出,催化剂层呈多孔蓬松,厚度为4. 6μm,质子交换膜结合十分紧密.

2.4　5 kW燃料电池电堆

    图6示出免增湿5 kW燃料电池电堆的照片. 图7给出常温常压免增湿5 kW电堆的运行特性. 电极先进行过预活化处理,而后组装成电堆. 电堆运行条件:电堆节数50片;空气流量400 L/ min,氢气流量75 L/min,空气直接排放,氢气间歇排放.电堆无需预热,空气、氢气也无需加湿.电堆连续运行10 h,输出功率基本稳定不变(见图7).