常溫常壓免增濕質子交換膜燃料電池是現(xiàn)今國內外燃料電池研究的重要課題.常壓運行可用低能耗的風機取代高能耗的空氣壓縮機;常溫運行可使燃料電池在通常條件下迅速啟動,無需預熱,免去加熱系統(tǒng),從而使輸出效率提高8% ~ 10%,成本節(jié)省15%.

國內外在常溫常壓免增濕燃料電池以及常壓燃料電池電堆方面已有大量的研究. 本文研制低溫活性Pt/C催化劑,建立直接涂膜技術和免增濕技術,設計并裝配5 kW常溫常壓免增濕燃料電池電堆.

1 實驗

1.1 催化劑

采用有機溶膠法制備. Pt/C催化劑,批量 生產10 g,含鉑量20%. XRD檢測活性組分顆粒度;電化學方法測試活性比表面,甲醇氧化循環(huán)伏安法測催化劑電催化活性.

1.2 電極

在紅外燈光照射下,借助即涂即干直接涂膜, 制備膜電極.這可有效防止膜的溶脹,使催化劑與膜結合緊密,并形成多孔的立體催化劑涂層. 電極的性能由ARBIN燃料電池測試系統(tǒng)檢測.

1.3 免增濕技術與電堆設計

于催化層添加適量保濕劑,并設計合理的免增濕運行方式.

以國產石墨板作雙極板,機械銑削流場,間隔塊板設置采用冷卻板模式;橡膠材料密封,用數(shù)字式壓力機組裝電堆.

1.4 電堆運行

使用PALTONG 10kW燃料電池測試系統(tǒng)觀測電堆試運行.條件如下:空氣及氫氣均不加濕,不預熱,滿功率時空氣流速為350~400 L/min,空氣從 電堆流出后直接排空,氫氣流速60~70 L/min,間 歇排放,每運行10 s排放1 s;空氣和氫氣輸入壓力 分別為10kPa和5 kPa;氣體通入3~5 s后,電堆 即可滿功率運行.

2 結果與討論

2.1 Pt/C催化劑特性

上述Pt/C催化劑經XRD測試表明(圖略), 其主要衍射峰明顯寬化,活性組分高度分散,按SCHERRER公式估算的顆粒度約為2. 8 nm.

圖1　有機溶膠法制備的20% (bymass) Pt/C催化劑的TEM照片

Fig. 1　The TEM images of the 20% (bymass) Pt/C catalystprepared by organic colloidalmethed

實驗發(fā)現(xiàn)該催化劑經活化處理,除去催化劑表面吸附雜質后,其結晶形態(tài)無明顯變化,但顆粒度增大至3. 0 nm.圖1為10 g批量制備的Pt/C催化劑的TEM照片.

2.2 Pt/C催化劑電催化活性

圖2示出10 g批量制備的Pt/C催化劑電極在甲醇溶液中的循環(huán)伏安曲線.如圖可見:該催化劑(曲線b)對甲醇的電氧化具有良好的催化活性, 其催化性能遠遠高于商品Pt催化劑(曲線a, c).

2.3 免增濕膜電極的結構及性能評價

圖3a給出由CCM技術制備的膜電極的極化曲線.與傳統(tǒng)涂碳紙法膜電極(圖3b)相比,顯示出更好的性能.

在電池溫度75℃和加濕溫度70℃條件下,本文自制的膜電極已達到幾乎與國內外膜電極相同水平(見圖4).

還需指出,本文自制膜電極具有良好的低溫活 性,如在室溫下運行其輸出功率密度幾乎可以達到 與75℃下運行的水平.

圖5示出直接涂膜電極的SEM照片.從圖可 以看出,催化劑層呈多孔蓬松,厚度為4. 6μm,質子交換膜結合十分緊密.

2.4　5 kW燃料電池電堆

    圖6示出免增濕5 kW燃料電池電堆的照片. 圖7給出常溫常壓免增濕5 kW電堆的運行特性. 電極先進行過預活化處理,而后組裝成電堆. 電堆運行條件:電堆節(jié)數(shù)50片;空氣流量400 L/ min,氫氣流量75 L/min,空氣直接排放,氫氣間歇排放.電堆無需預熱,空氣、氫氣也無需加濕.電堆連續(xù)運行10 h,輸出功率基本穩(wěn)定不變(見圖7).