微观磁场促进质子交换膜燃料电池内氧传递和还原反应研究

质子交换膜燃料电池在进入商业应用之前必须解决成本、寿命、可靠性和氢源等问题。其中提高放电性能是解决其它问题的前提，而阴极空气传递速度慢和氧气还原反应速度相对于阳极氢气氧化反应较低又是控制放电性能的关键。本项目采用碳包敷硬磁纳米材料为载体制备负载铂催化剂，把微磁场引入质子交换膜燃料电池阴极；利用氧气为顺磁性，氮气和水蒸气等其它气体为逆磁性的磁性差异，在载体内硬磁材料形成的微观磁场作用下，改变催化层微孔中氧气与氮气传递方向，促进氧气向催化剂表面传递，提高氧还原反应速度，减少中间产物过氧化氢的生成，从而提高质子交换膜燃料电池的放电性能，延缓过氧化氢分界产生自由基攻击电解质引起的膜电极衰减。

利用微磁场促进空气中氧在燃料电池阴极的传递，这对提高电池的放电性能具有重要意义。利用电化学三电极体系和旋转圆盘玻碳电极，研究了氧扩散系数、氧传递系数、双电层电容和传荷电阻等参数在不同磁场强度中的变化规律；采用溶胶凝胶与原位聚合法制备了Fe3O4/PANI磁性材料，并用XRD、FTIR、SEM、VSM和差热分析仪对材料进行了表征，用电化学三电极体系和锌空电池对Fe3O4/PANI材料在氧传递中的作用进行了研究。研究发现，磁场强度由0 mT增加至5 mT，氧传质扩散系数和氧传递系数分别提高102.14%、52.40%，双电层电容由8.16 μF cm-2增大至22.46 μF cm-2，传荷电阻由9.43 Ω cm2下降至6.02 Ω cm2，氧电化学还原反应电流提高；Fe3O4/PANI是球形纳米磁性材料，电导率0.30 S cm-1，内禀矫顽力Hic和剩余磁化强度Mr分别为10.18 kA m-1、5.27 Am2 kg-1，材料表现出铁磁性；与非磁性电极和非磁性锌空电池相比较，当Fe3O4/PANI在电极的负载密度较小时，磁性电极具有较大的双电层电容、较小的传荷电阻，磁性锌空电池的放电性能较高；当Fe3O4/PANI在电极的负载密度较大时，实验结果相反；对于非磁性电极和非磁性锌空电池，提高Fe3O4/PANI的负载密度，电极的双电层电容增大、传荷电阻减小，锌空电池的放电性能提高。当Fe3O4/PANI负载密度小于3.56 mg cm-2时，微磁场促进氧的传质，磁性锌空电池放电性能较高；Fe3O4/PANI负载密度大于7.11 mg cm-2时，微磁场抑制氧的传质，非磁性锌空电池放电性能较高；在非磁性条件下，材料中的PANI是提高电池性能的主要原因。实验结果表明，磁场强度与氧传质扩散系数、氧传递系数和氧电化学还原反应电流的变化具有正相关性；氧分子在磁场吸引力下，易于向Pt/C催化剂传质，磁性锌空电池的放电性能优于非磁性锌空电池；增加磁粉负载量，磁性颗粒所提供的磁场源增多，磁性锌空电池的放电性能增强；在磁粉负载量较高时，继续增加磁粉负载量，磁性颗粒对氧传递通道的阻滞和磁无序增强会导致磁性锌空电池的放电性能下降。