免微孔层气体扩散电极的构建及其在高温膜燃料电池中的应用研究

High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC) is considered as the trend of PEMFC future development due to its good environmental tolerance, simplified water/thermal management and low membrane cost, etc. However, its development is still hindered by the high Pt loading and the inferior performance and durability. Considering the work characteristics of HT-PEMFC, we propose a new structured gas diffusion electrode (GDE) with the elimination of microporous layer (MPL), by which the resistances of gases and electrons transport can be decreased, then a high cell performance can be delivered. It is expected that the new structured GDE can also contribute to the decrease of Pt loading and the improvement of stability of HT-PEMFC. The proposed research concerns the correlation of electrode components, structure and performance. Firstly, a stable micropore /macropore composited electrode structure will be developed for the high catalytic efficiency, then the technique for new structured preparation will be established. Secondly, the effect of the catalyst layer ingredients and structure on the properties and the performance of the GDE will be studied; the approaches for lowering Pt loading will be investigated; the performance degradation mechanisms of the new structured GDE and the mitigation strategies will be proposed. The project provides a new idea and theoretical basis for the development of HT-PEMFC with high performance, low cost and good durability.

高温膜燃料电池具有环境耐受性好，水热管理简单，膜材价格低廉等优点，被认为是聚电解质膜燃料电池未来的发展方向，但目前主要还存在铂用量高，电池性能和稳定性不足的问题。根据高温膜燃料电池的工作特点，本项目提出一种免微孔层的气体扩散电极结构，以减小气体和电子传输阻力，达到增强电池性能的目的，并由此进行高温膜燃料电池低铂化和稳定性的研究。本研究涉及电极组分-结构-性能相互关系，首先从提高催化效率入手，构筑稳定的微孔催化层和大孔气体扩散背层的复合结构，开发高温膜燃料电池新型结构电极制备技术；其次研究催化层组分和结构与电极特性之间的相互关系，阐明其对电池性能的影响机制，调查降低电极铂载量的有效途径，研究新电极结构下电池的性能衰减机理和缓解策略，为开发稳定、高性能和低成本的高温膜燃料电池提供新思路和理论依据。

聚电解质膜燃料电池（PEMFC）往高温发展是一个趋势，因为这可以解决目前低温PEMFC面临的主要问题，如CO耐受性差、加湿系统复杂、热附加值低等。其中，基于磷酸（H3PO4）掺杂聚苯并咪唑（PBI）的高温膜燃料电池（HT-PEMFC）是目前最成功的体系，但目前主要还存在铂用量高，电池性能和稳定性不足的问题。基于此，本项目从提高电极反应效率和降低电极Pt载量出发，开展了HT-PEMFC新型免微孔层结构气体扩散电极（GDE）的研究和开发工作，同时对HT-PEMFC的性能衰减机理和缓解策略进行初步研究。.1、开发了HT-PEMFC免微孔层电极制备技术，有效地减小了电极内部物质传输阻力，提高了电池性能。在些基础上，通过结合使用低铂含量催化剂，成功将HT-PEMFC铂载量从常规的0.7mg cm-2降低到了0.2 mg cm-2，同时保持了优越的电池性能（铂比功率达1.6 W mgPt-1），这是HT-PEMFC低铂化方面一个极大进步。.2、对HT-PEMFC性能稳定性诊断的方法进行了初步研究，提出了一种原位低干扰的电化学方法，适用于评判HT-PEMFC短期运行中可能的性能衰减机理。在此基础上，研究了催化层组分和结构与电极特性之间的相互关系，阐明其对电池性能的影响机制。.3、针对HT-PEMFC性能衰减机理，研究了相应的缓解策略。提出了gC3N4纳米片载体提升HT-PEMFC中铂催化剂稳定性和双功能COF材料有效提升HT-PEMFC性能和稳定性的策略，有效地提升了HT-PEMFC的性能稳定性和耐久性。. 通过本项目研究，成功获得HT-PEMFC免微孔层电极制备技术，阐明了其催化层组分和结构与电极特性之间的相互关系，并在此基础上成功开发出HT-PEMFC低铂载量电极，提出了增强HT-PEMFC性能稳定性的相关策略。该项目的完成为开发稳定、高性能和低成本的高温膜燃料电池提供了新思路和理论依据。.