氧化还原电对作为阴极反应中间介质的燃料电池研究

质子交换膜燃料电池作为汽车动力有着良好的应用前景，其阴极通常发生的是氧气在贵金属催化剂上的还原反应，由于关键材料价格昂贵且不稳定、氧还原反应速度较慢、水管理复杂等特点，成本过高、性能和可靠性较低是制约其发展的主要问题。氧化还原燃料电池综合了液流电池和燃料电池的优点，能够克服直接氢氧燃料电池的上述缺点，因此有着较高的应用价值。本项目改变传统电池内部结构，阳极仍使用铂电极氧化氢气，而在阴极用电解液中氧化还原电对的反应，代替了原有在三相界面上发生的氧还原反应，大大增加了电极/溶液界面的接触面积和表面浓度。本项目通过化学、电化学、微观表征等方法，筛选电对种类，研究其在不同电极上的反应机理和规律，优化阴极电解液的组成和浓度，探索氧化还原电对的再生方法，合理设计电池内部结构。该方法可以降低阴极极化，减少催化剂用量，缓解催化剂中毒和膜的降解问题，简化水、热管理，有效地降低成本，提高电池的性能和可靠性。

本项目所使用的氧化还原燃料电池结构，结合了氢氧燃料电池和氧化还原液流电池的优点，阴极使用过渡金属电对作为反应介质，用溶液中离子的还原反应代替了传统燃料电池阴极中三相界面上发生的氧还原反应。该电池无需充电过程，可以连续操作，阴极还原反应速度快，催化剂用量低，水、热管理简单，因此有着良好的应用前景。本项目在进行过程中采用了多种样品制备和电池测试方法，使用了循环伏安、交流阻抗、恒电位扫描等电化学分析手段和扫描电镜、X射线衍射、傅里叶红外光谱等微观表征手段，对氧化还原燃料电池中几个关键问题如电对选择，再生反应速度提高，电解液优化，电极材料改性和单电池结构及操作条件优化等方面进行了详细的研究。结果表明，Fe3+/Fe2+电对反应速度快、可逆性好、溶解度大、反应电位适宜，在本项目中作为首选电对。再生氧化反应速度随温度升高和pH值增大而加快，多金属氧酸盐和负载少量贵金属的石墨毡有助于反应速度进一步加快。阴极适宜的电极材料是石墨毡，石墨毡的改性处理除了常规的热处理之外，还分别采用了脉冲电沉积法电镀PbO2、微波烧结法处理、改进Hummers法处理、水热合成法沉积WO3纳米棒等不同方法，均使得阴极电解液中电对的反应速度得到不同程度增加。此外，还对电解液浓度、电池结构和操作条件等进行了优化，得到了最佳的参数。总之，本项目研究取得了较好的成果，基本达到了预期目标。