催化层中抗反极添加剂对PEMFC性能及反极的影响开题报告

全文总字数：5929字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1背景介绍

质子交换膜燃料电池（pemfc）具有能量密度高和发电时零污染的特性，是一种清洁、高效的绿色环保能源。但是长久以来，存在着三大限制其发展的因素，分别是成本、性能和耐久性，人们需要通过研究降低成本、提高性能和耐久性推动其商业化进程[12]。质子交换膜燃料电池中的核心组件之一，膜电极（mea）是燃料电池动力的根本来源，mea包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。mea的电极通常由碳质或碳布组成的气体扩散层和催化剂层组成，催化剂层包括阳极含pt的催化剂和阴极含pt-ru的催化剂，催化剂层浸渍在活性炭（acs）、碳纳米管（cnt）和碳纳米纤维（cnf）等碳材料上[7]。其中阳极在pt催化剂的作用下发生氢的氧化反应，阴极在pt-ru催化剂的作用下发生氧的还原反应，质子交换膜则实现质子的传输，

pemfc在使用时经常会面临一个问题，那就是阳极缺氢气的情况，造成这种情况发生的原因有多种，比如供氢系统故障或者液态水、结冰和外来杂质堵塞氢通道等，而且当燃料电池在启动或者负载迅速变化的情况下这种情况会加重。因此当阳极缺氢时，阳极需要额外的电子和质子源将电池反应继续下去，此时电位较低时会发生水电解反应，而当电位持续升高的时候会发生碳腐蚀反应，电池反极会导致膜电极显著发热，使得质子交换膜上形成针孔从而导致膜电极短路，最后导致灾难性的电池故障[1]。为了解决这个因氢燃料缺乏导致的电池反极的问题，很多人研究出了各种解决方法，比如优化水管理系统避免氢通道堵塞现象，排气监测和冲洗阳极室等系统控制方法，以及研发新的电极材料的方法[5]。其中基于电极材料的研究有抗反极阳极（rta）的合成，抗反极阳极是通过在原有的阳极材料中添加抗反极添加剂实现的，析氧反应（oer）催化剂（例如iro₂,ruo₂, tio₂, ir_xsn_1-xo2, ptir, irru等）常被用做抗反极添加剂加入阳极材料中。抗反极添加剂可以在催化水电解过程中控制阳极电位，并且消耗水使得催化剂层干燥从而防止发生碳腐蚀[8]，但是rta只在有限的时间内才会有效，在时间过长的反极情况下，它最终会失效并导致电池失效[1]。因此，燃料不足的状态应该是要极力避免的。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1）采用ccm法制备含有抗反极添加剂和未含有抗反极添加剂的膜电极；

2）通过测试表征其结构性能、电化学性能和电池性能；

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4－6周：按照设计方案，采用ccm法制备含有抗反极添加剂和未含有抗反极添加剂的膜电极；

第7－9周：通过icp-oes、sem、eds、tem等表征其结构性能和cv、lsv等表征其电化学性能，并通过单电池测试平台测试其电池性能；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]p.mandal, b.k. hong, j.-g. oh, s. litster, understanding the voltage reversalbehavior of automotive fuel cells, j power sources, 397 (2018) 397-404.

[2]a. taniguchi, t. akita,k. yasuda,y. miyazaki, analysis of electrocatalystdegradation in pemfc caused by cell reversal during fuel starvation, j powersources, 130 (2004) 42-49.

[3] a.taniguchi, t. akita, k. yasuda, y. miyazaki, analysis of degradation in pemfccaused by cell reversal during air starvation, int j hydrogen energ, 33 (2008)2323-2329