Nafion含量对直接甲醇燃料电池阴极催化剂性能表达的影响

燃料电池是一种将燃料反应的化学能转化为电能的装置,可分为氢氧质子交换膜燃料电池(PEMFCs)、直接甲醇燃料电池(DMFCs)和直接甲酸燃料电池等.与 PEMFCs相比, DMFCs以甲醇为燃料,燃料的储存运输和电池操作运行具有较高的安全性,所以近年来受到人们的广泛关注.
　　膜电极组件(MEA)是 DMFCs的核心部分,由气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)三部分组成. GDL用于提高电池传质能力,并同时作为 MEA的集流体. PEM主要用于隔离燃料和氧气,进行质子传导. CL是 MEA中的主要组成部分,为电化学反应提供场所.
　　催化层由催化剂,质子传输介质和电子传输介质组成.通常,阳极催化剂采用 PtRu/C,阴极采用 Pt/C,质子传输介质为全氟磺酸树脂,如 Nafion. CL的结构对电池性能有直接的影响,因此人们对 CL的结构进行了详细的研究,并通过调节 CL亲水性能、梯度催化层的结构设计等优化其结构.研究表明,当 CL中 Nafion含量为33 wt.%, PEMFCs具有最佳的电池性能. DMFCs与 PEMFCs对 MEA要求不同,其阴极更容易发生水淹现象.本文结合非接触式三维光学轮廓仪、接触角测试系统和电化学测试对阴极不同 Nafion含量的膜电极进行了表面形貌、亲水性、循环伏安和 DMFC性能测试.
　　本文利用喷涂法制备了 GDE,然后与 Nafion115热压形成 MEA.由三维表面形貌图可以看出,随着催化层中 Nafion含量的增加, GDE表面的粗糙度变大,尤其是 N35和 N45.理论上,表面粗糙有利于 Pt的暴露和传质扩散,但是其电池性能并未与粗糙度呈现出正相关的关系,因为 Nafion含量高于35 wt.%, Pt被 Nafion过度包裹,抑制了 O2至催化剂表面的传输,且随着 Nafion含量由15 wt.%增加至45 wt.%,其 GDE表面的接触角由166.8o减至143.1o,说明 CL的亲水性增强,易导致阴极产生的水无法及时排出,从而造成阴极水淹现象.
　　从不同 Nafion含量制备 MEA的 CV图可以看出,随着 Nafion含量的增加, Pt的电化学活性面积(ESA)增加.当 Nafion含量较少时, Nafion无法对全部 Pt纳米粒子(NPs)形成包覆或无法形成连贯的质子传输通道,从而导致大部分的 Pt NPs催化活性较低变为无效 Pt.而有效 Pt NPs要求与连贯的质子传输通道相连接.当 Nafion含量高于35 wt.%时,其 ESA基本保持不变,因为 Pt载量一定,从而限制了 ESA,此时达到该载量条件下的极限 ESA.但是电池极化曲线表明,30 wt.% Nafion含量的 MEA具有最佳的电池性能.因为有效 Pt NPs不一定是高效的,当他们全部被 Nafion包裹后, O2只能依靠溶解在 Nafion中才可以到达催化剂表面,从而阻碍传质.只有 Pt NPs表面包裹和暴露面积达到一定比例时才变得高效.所以当 Nafion含量低于30 wt.%时,主要由质子传输通道导致的有效 Pt NPs较少；当 Nafion含量高于30 wt.%时,出现 Nafion过度包裹 Pt NPs,阻碍 O2传质.因此, Nafion含量30 wt.%时, Pt的包裹面积和裸露面积达到所研究的最佳状态.