燃料电池有序化膜电极的可控制备与性能调控

Proton exchange membrane fuel cells for vehicles should be improved and lower platinum loading. High activity membrane electrode assembly (MEA), low ohmic polarization and mass transfer polarization are required. This project is aming at preparation of different oriented structured MEAs, modeling of the new oriented structured MEA. For proton-conductor free oriented MEA, the mechanism of proton transport is a new challenge. Based on electrical conductive and non-conductive oriented structure, the regulation manners of activity particle and thin film catalysts will be investigated. In the microstructure of the oriented MEA, the active surface of electrocatalyst, proton conductor, three phase interface, have important impact on the transport，absorption, desorption and electrochemical reaction process. The utilization of precious metal catalyst will be improved. The high efficient mass transfer passages and reactive interface will be constructed for PEMFC high current density operation, which is the requirement for high power density vehiclar fuel cell. Advanced method for material preparation, characterization and testing will be integrated in this project. High performance, long durability and stability can be expected for the new generation MEA for vehiclar fuel cell in the project.

车用质子交换膜燃料电池迫切需要提高性能、降低贵金属铂的用量，这就要求提高膜电极(MEA)的活性，并减少欧姆极化与传质极化。本项目拟构建不同基体的有序化膜电极，建立基于有序化结构的新型膜电极模型，针对有序化MEA中无质子导体的新问题，研究有序微纳结构中的质子传导机理；需针对导电性与非导电性两类有序化结构基体，研究颗粒电催化剂与薄膜电催化剂的活性调控方法，以及有序结构上催化剂活性表面、气/液/固相界面，反应气、生成水的多相传递、吸/脱附与电化学反应的耦合关系，获得新型有序化低Pt膜电极的制备方案，构建高电流密度运行条件下的高效传质通道与电化学反应界面，拓宽车用燃料电池的工作范围，并降低膜电极Pt用量。本项目拟通过实验表征、微观分析和集成验证试验等，通过材料学、现代电化学方法和现代谱学技术，结合材料制备、模型计算以及性能调控，提高MEA的性能、稳定性及使用寿命。实现新一代有序化MEA的突破。

膜电极是燃料电池的核心部件，其微观结构直接影响燃料电池的性能、成本及寿命。传统膜电极中存在Pt载量高、传质阻力大、稳定性较差等问题，影响燃料电池的大规模商业化。因此，开发低Pt、高效的膜电极结构极为必要。本项目中，我们设计制备了一系列的有序化电极结构，减小了电极的极化损失，提高了电极性能。针对有序电极中无离子聚合物作质子导体的问题，我们通过模型模拟探索了质子传导机制。首先，针对传统Pt/C电极中Pt用量高、碳载体腐蚀等问题，实验制备了Pt/Nb2O5纳米带的纳米薄层电极。然后，为提升电极电导率和催化剂利用率，制备了基于开管式的PtCo合金纳米管阵列的薄层电极和PtCu纳米管阵列电极。再之后，为进一步降低Pt载量，制备了以一侧开管的PdCo纳米管阵列为基底，采用欠电位沉积技术制备了基于Ptskin@PdCo的纳米管阵列的有序化电极。此外，我们制备了Pd@Co三维纳米阵列电极，研究其在碱性阴离子交换膜燃料电池中的特性。本项目在模型方面，研究了连续铂金属-电解液界面模型并揭示铂电极表面的非单调荷电行为；建立了碳担载非连续铂颗粒模型，并揭示催化剂载体的表面荷电特性对催化剂活性的影响；建立了氧还原反应动力学模型，解析了实验中经常观测到的多重Tafel斜率；建立了氧还原微观动力学模型和电极-电解液双电层模型，阐释了氧还原反应火山图的电势依赖性；建立了超薄铂金电极模型，揭示了超薄铂金电极鲁棒性差的原因并提出了优化方案；建立了注水铂金纳米单孔阻抗模型，获得了提取质子传导率的解析式。总体来说，本项目的成果对于提高低铂膜电极的性能和鲁棒性具有重要的理论意义和实用价值。本项目的部分成果应用于小批量生产的膜电极。