质子交换膜燃料电池催化层的制备过程与微结构成型关系研究

Catalyst layers are a key component of the membrane electrode assembly of proton exchange membrane fuel cells. It is normally fabricated by mixing catalyzed carbon black (CPt), ionomer solution and solvents, spraying the ink thus made to a membrane, and drying. The proposed project will quantify the effects of PEMFC’s catalyst layer fabrication parameters on its final microstructure. With the knowledge gained from this research, we can establish new fabrication methodology to fine tune a catalyst layer’s microstructure. This project will conduct the following research. (1) Investigate the effects of shear force on the size distribution of CPt clusters in the ink of CPt, ionomer solution and solvents. Measure the size distribution of CPt clusters in such ink. (2) Investigate the size distribution of CPt clusters in the vaporizing droplets of atomized ink formed during the spraying process. (3) Reconstruct the microstructure of catalyst layer. Model and simulate the process of ionomer solidification on CPt clusters. Compute effective transport properties of the catalyst layer, including gas diffusivities, ionic/electric conductivities, and its overall thermal conductivity. Characterize the microstructure and surface morphology of the catalyst layer. After the experimental validation, we will establish a platform of simulation tools that one can employ it to reveal the relationship between fabrication processes and microstructure formation, and use the information to guide future catalyst design and optimization.

催化层是质子交换膜燃料电池中膜电极的核心部件，制备过程一般为碳载铂、离子交换树脂与溶剂，喷涂到质子交换膜上干燥。本项目将量化研究质子交换膜燃料电池催化层制备过程对其最终微结构的影响，从而获得能调控催化层微结构功能的制备方法。本项目将开展以下研究：（1）研究在溶剂、离子交换树脂和碳载铂颗粒群组成的液体中，流体剪切力对碳粒聚集块粒径分布的影响，量测碳粒聚集块在溶液中混合后的大小分布；（2）研究含有碳粒聚集块的液体在喷射过程中的相变过程及催化层墨水喷射后的液滴大小分布；（3）重构催化层的微结构模型，模拟离子交换树脂在碳粒聚集块成型的过程，计算催化层的有效气体扩散系数、质子/电子传导系数及催化层整体的导热系数，并对催化层微结构及表面面貌做表征。在结合数值模拟和实验验证之后，本项目完成一系列的模拟仿真平台，揭示催化层制备过程与微结构成型的定量关系，可以指导催化层的设计与优化。

催化层是质子交换膜燃料电池中(PEMFC)膜电极的核心部件，制备过程一般为碳载铂、离子交换树脂与溶剂以球磨或超声方式配制成墨水，涂布到质子交换膜上干燥。催化层在PEMFC中担负了质子及电子传输、气体扩散及导热、排水等功能，其微结构对催化层中电化学反应效率至关重要。本项目量化研究了PEMFC催化层制备过程对其最终微结构的影响，从而获得能调控催化层微结构功能的制备方法。本项目开展了以下研究：（1）催化层墨水制备过程中，分散方法对墨水的流变性质的影响，包含球磨及超声方法对墨水粘度、触变性、碳粒聚集块大小的分布，同时研究了墨水的制备过程对涂布后裂纹形成机理及控制参数；（2）催化层墨水在超声喷涂时，雾化过程及液滴大小分布；（3）对催化层微结构及表面面貌做表征，重构催化层的微结构模型，计算催化层的有效气体扩散系数、质子/电子传导系数及导热系数。实验结果揭示了催化层制备过程中油墨在搅拌过程中的油墨配比、分散方式对流变特性的影响，根据流变特性发现涂覆干燥参数对裂纹形貌的影响，结合性能表征，明确了制备中催化剂颗粒与高分子聚合物形成固体多孔介质的过程。在模拟仿真方面，超声雾化的计算揭示了喷涂过程中喷射条件与雾化后液滴的分布以及液滴中碳载铂催化剂的聚集状态的关系，而孔尺度仿真中，通过耦合介观模型和多物理场模型，建立多孔介质的压缩和传输特性，有效提升了燃料电池性能，实现了对燃料电池性能的调控，并提出了优化策略。.在结合数值模拟和实验验证之后，本项目建构了PEMFC多尺度的模拟仿真平台，揭示催化层制备过程与微结构成型的定量关系，可以指导催化层的设计与优化。这个多尺度模拟平台除了本项目主题低温PEMFC之外，同时也成功应用在其他领域，包含高温PEMFC、碱性膜燃料电池、全钒液流电池、锂电池、电渗析反应器及直接接触式海水淡化技术等。本项目执行期间共发表了17篇高水平论文，宣读了国际会议12次、国内会议13次，授权专利1项。共培养博士研究生7名、硕士研究生14名。