常溫常壓免增濕質(zhì)子交換膜燃料電池是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外燃料電池研究的重要課題.常壓運(yùn)行可用低能耗的風(fēng)機(jī)取代高能耗的空氣壓縮機(jī);常溫運(yùn)行可使燃料電池在通常條件下迅速啟動(dòng),無需預(yù)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(guó)內(nèi)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(shù)和免增濕技術(shù),設(shè)計(jì)并裝配5 kW常溫常壓免增濕燃料電池電堆.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 催化劑

采用有機(jī)溶膠法制備. Pt/C催化劑,批量 生產(chǎn)10 g,含鉑量20%. XRD檢測(cè)活性組分顆粒度;電化學(xué)方法測(cè)試活性比表面,甲醇氧化循環(huán)伏安法測(cè)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(jié)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(cè)試系統(tǒng)檢測(cè).

1.3 免增濕技術(shù)與電堆設(shè)計(jì)

于催化層添加適量保濕劑,并設(shè)計(jì)合理的免增濕運(yùn)行方式.

以國(guó)產(chǎn)石墨板作雙極板,機(jī)械銑削流場(chǎng),間隔塊板設(shè)置采用冷卻板模式;橡膠材料密封,用數(shù)字式壓力機(jī)組裝電堆.

1.4 電堆運(yùn)行

使用PALTONG 10kW燃料電池測(cè)試系統(tǒng)觀測(cè)電堆試運(yùn)行.條件如下:空氣及氫氣均不加濕,不預(yù)熱,滿功率時(shí)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(yùn)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(yùn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 Pt/C催化劑特性

上述Pt/C催化劑經(jīng)XRD測(cè)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(jī)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該催化劑經(jīng)活化處理,除去催化劑表面吸附雜質(zhì)后,其結(jié)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(duì)甲醇的電氧化具有良好的催化活性, 其催化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商品Pt催化劑(曲線a, c).

2.3 免增濕膜電極的結(jié)構(gòu)及性能評(píng)價(jià)

圖3a給出由CCM技術(shù)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(dá)到幾乎與國(guó)內(nèi)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(yùn)行其輸出功率密度幾乎可以達(dá)到 與75℃下運(yùn)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(zhì)子交換膜結(jié)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(yùn)行特性. 電極先進(jìn)行過預(yù)活化處理,而后組裝成電堆. 電堆運(yùn)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(yù)熱,空氣、氫氣也無需加濕.電堆連續(xù)運(yùn)行10 h,輸出功率基本穩(wěn)定不變(見圖7).