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碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究

崔丽瑞 ,  张劲 ,  孙一焱 ,  卢善富 ,  相艳

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引用本文: 崔丽瑞, 张劲, 孙一焱, 卢善富, 相艳. 碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究[J]. 化学学报, 2019, 77(1): 47-53. doi: 10.6023/A18080344 shu
Citation:  Cui Lirui, Zhang Jin, Sun Yiyan, Lu Shanfu, Xiang Yan. Effect of Addition of Carbon Nanotubes on the Performance of a Low Pt Loading Membrane-Electrode-Assembly in Proton Exchange Membrane Fuel Cells[J]. Acta Chimica Sinica, 2019, 77(1): 47-53. doi: 10.6023/A18080344 shu

碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究

  • 北京航空航天大学空间与环境学院 仿生能源材料与器件北京市重点实验室 北京 100191

    • 通讯作者: 卢善富, E-mail: lusf@buaa.edu.cn; 相艳, E-mail: xiangy@buaa.edu.cn
  • 基金项目:

    项目受北京市重点研发计划（No.Z171100000917011）、国家自然科学基金（Nos.21722601，21576007）和中央高校基本科研业务费专项资助

摘要: 以碳纳米管（CNT）作为低铂载量膜电极（CCM）催化层（0.1 mgPt·cm-2）添加剂，研究了CNT的添加方式对催化层微观结构以及膜电极性能的影响.结果表明，与常规低铂载量催化层相比，在其表面喷涂一层CNT或将CNT均匀分散到Pt/C催化层中均有利于提升低铂载量膜电极的输出性能，在70℃和100%相对湿度条件下最高输出功率比常规低铂载量膜电极的0.522 W·cm-2分别提升了22.4%和60.0%，并且均匀分散添加方式优于分层添加方式.其原因在于分层添加CNT后改善了低铂催化层和气体扩散层之间的接触界面，降低了催化层与扩散层间的接触电阻，而均匀分散添加方式除了可降低界面接触电阻外，还显著改善了低铂催化层中的气体传输，大幅提升了Pt催化剂的利用效率，使得膜电极电化学反应电阻明显降低.进一步对均匀分散添加方式中CNT的载量进行优化，表明CNT添加量为37.5 μg·cm-2时电池输出性能最佳，70℃和100%相对湿度条件下的最大输出功率达到0.91 W·cm-2.本研究工作表明，将CNT均匀分散添加到催化层中是一种有效提升低铂载量膜电极性能的方法.

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  • 1.   引言

    化石能源的快速消耗导致环境污染和能源危机日益加剧, 使得全世界都在积极寻找开发安全和可再生的清洁能源[1~5].质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于具有高效率、高功率密度、清洁无污染、可低温运行以及快速启动等优点受到世界各国的普遍关注[6~8].质子交换膜燃料电池的核心部件为膜电极(Membrane Electrode Assembly, MEA), 包括气体扩散层、催化层和质子交换膜.催化层是电化学反应发生的场所, 其中质子、电子和气体在催化剂的表面结合形成水[9, 10].目前PEMFCs采用的催化剂主要为铂(Pt)基催化剂.虽然近年来非铂催化剂研究取得许多重要进展[11~15], 但其催化活性和稳定性与Pt基催化剂仍然存在较大差距[12], 在短时间内还难以取代铂基催化剂[13]. Pt催化剂的资源稀缺及其高的成本严重制约了PEMFCs的产业化进程[8, 16, 17].因此, 提高Pt催化剂的利用率以及降低Pt催化剂的用量是现阶段PEMFCs发展的当务之急[17].

    膜电极中催化层的微观结构和电化学性能主要受催化剂墨水的成分及催化层的制备方法等因素影响[18~20].其中膜电极的制备方式直接影响着催化层的微观结构和Pt催化剂的利用效率[18], 因此一系列新的膜电极制备方法或新的膜电极结构被发展出来以提高Pt催化剂的利用率或降低膜电极中铂催化剂的载量[21].采用超声喷涂方法将催化剂墨水直接在电解质膜上制备薄层亲水催化层(CCM)是一种简单有效的降低催化剂用量的方法, 但该方法制备的膜电极在大电流密度条件下工作时由于排水能力不足易出现浓差极化; 此外, 超声喷涂方法对降低Pt催化剂载量也存在一定的限度.

    现有研究表明, 在薄层亲水催化层中引入适量的纳米碳材料可以提高催化层的孔隙率和孔结构的均匀性, 改善催化层的三相传输界面, 提升催化剂利用效率[7], 进而提高电池性能[22~24].例如, 廖世军等[23]将氮掺杂的碳纳米管引入到阴极催化层, 在70 ℃和100%加湿的条件下, 总铂载量为0.3 mgPt·cm-2的单电池最大输出功率从0.781 W·cm-2提高到0.997 W·cm-2.

    本工作拟采用超声喷涂方法探讨将碳纳米管(CNT)作为添加剂添加至在低铂载量(0.1 mgPt·cm-2)阴极催化层中, 考察CNT的添加方式对催化层微观结构以及膜电极性能的影响.本研究中CNT的添加方式分为以下两种:一种是先将碳载铂(Pt/C)催化剂墨水喷涂到Nafion 211膜上得到催化剂, 然后再将一定量的CNT喷涂到催化剂层上形成覆盖层, 得到CCM-1, 目的是改善催化层与气体扩散层的界面接触, 降低接触电阻; 另外一种是将Pt/C催化剂和CNT均匀混合配制墨水, 然后采用超声喷涂在Nafion 211膜上, 得到CCM-2.此外, 制备未添加CNT的膜电极(CCM-0)以及只采用CNT作为阴极催化层的膜电极(CCM-3)作为对照样品进行对比.采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和麦克ASAP 2460物理吸附仪对催化层微观形貌和结构进行表征; 采用循环伏安法、交流阻抗法、线性伏安法等方法对催化层电化学行为和膜电极的电化学性能进行了评估.研究结果表明两种CNT添加方式均有利于提升低铂膜电极的输出性能, 且CNT均匀分散于催化层中更有利于低铂膜电极性能的提升.

    2.   结果与讨论

    2.1   CNT添加方式对催化层微观结构的影响

    本研究中所制备的三种不同CCMs阴极催化层的微观结构如图 1所示. 图 1a和1d为常规低铂载量膜电极(CCM-0)阴极催化层断面的不同放大倍数SEM图像.从图中可以看到CCM-0催化层的平均厚度约为1.0 μm, 其结构较为均匀, 但孔隙率不高, 且大部分孔径在100 nm以下.在该催化层结构基础上覆盖25 µg·cm-2的CNT层后, 其厚度显著增加至4.0 μm左右(图 1b和1e); 与Pt/C层相比, 添加的CNT层明显更为疏松多孔.与CCM-0相比, 将CNT混合添加到催化层中后, 催化层的整体厚度明显增加, 平均厚度约为4.3 μm(图 1c和1f), 略厚于CCM-1催化层, 并且显示出疏松多孔的结构, 孔隙率和孔径明显高于CCM-0和CCM-1.为了进一步探究CNT添加至催化层中对催化剂微观结构的影响, 采用N2吸脱附法对CCM-0和CCM-2的阴极催化层进行测试, 结果如图 2和表S1所示.结果表明, 在催化层中引入CNT后, 催化层的比表面积和孔体积分别从CCM-0的30.2 m2·g-1和0.07 cm3·g-1增加至54.3 m2· g-1和0.20 cm3·g-1, 分别提升了79.8%和185.7%;加入CNT后催化层的初级孔和次级孔的孔径分布以及孔体积也发生了较为明显的变化.未加入CNT前, 催化层的初级孔平均孔径为2~3 nm, 次级孔孔径分布在8~70 nm范围, 次级孔孔径峰值为25 nm左右.加入CNT后, 催化层初级孔平均孔径为2~15 nm, 次级孔孔径分布在15~90 nm范围, 次级孔孔径峰值为50 nm左右, 而且初级孔和次级孔的孔容均有所增加.表明CNT的加入, 在一定程度改变了Pt/C颗粒的分散状态和聚集状态, 与SEM观测到的结果一致, 这将有利于改善催化层中反应物和产物水的传输, 从而有利于电池性能的提升[23].

    图 1

    图 1.  不同CCMs的阴极催化层断面扫描电镜图
    Figure 1.  SEM images for cross-section of CCM with different cathode catalytic layer

    (a, d) CCM-0, (b, e) CCM-1, and (c, f) CCM-2.

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    图 2

    图 2.  CNT的添加对低铂载量催化层孔径以及孔体积的影响
    Figure 2.  Effect of CNT addition on pore size and pore volume of low-Pt loading catalytic layer

    (a) N2 adsorption isotherm and (b) pore size distribution of CCM-0 and CCM-2 catalytic layer

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    2.2   CNT的添加方式对膜电极性能的影响

    图 3a比较了CNT的不同添加方式对膜电极输出性能的影响.从图中可以看出, 在低铂载量催化层中或表面添加CNT均可明显提升低铂载量膜电极的输出性能, 特别是在大电流密度区, 性能提升更为明显. CCM-1和CCM-2最高功率密度分别达到0.639和0.836 W·cm-2, 较CCM-0的0.522 W·cm-2分别提升了22.4%和60.0%.从三种CCMs在0.6 V工作电压下的交流阻抗结果(图 3b)可以看出, 添加CNT后, CCM-1和CCM-2的内阻和电化学反应电阻均有明显降低.膜电极内阻从未添加CNT时(CCM-0)的0.089 Ω·cm2降低至表面添加CNT (CCM-1)后的0.066 Ω·cm2和催化层中均匀添加CNT (CCM-2)后的0.059 Ω·cm2, 分别下降了25.8%和33.7%;而且, 添加CNT后膜电极的电化学反应电阻从CCM-0的0.536 Ω·cm2分别下降至CCM-1的0.287 Ω·cm2和CCM-2的0.252 Ω·cm2, 分别下降了46.5%和53.0%.

    图 3

    图 3.  不同CCMs的电池性能(a)及0.6 V条件下的交流阻抗谱图(b)(测试条件: 70 ℃, 阴阳极100%加湿, 无背压)
    Figure 3.  Cell performance (a) and electrochemical impedance spectra at 0.6 V (b) of different CCMs (operating condition: 100% relative humidity, 70 ℃ and without back pressure)
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    上述结果表明仅在低铂载量催化层表面添加CNT层后, 即可明显降低电池内阻和电化学反应电阻.对于低铂载量催化层而言, 由于催化层厚度很薄(如本研究中为1 μm), 难以保证其与气体扩散层充分接触, 导致界面接触电阻较大, 在薄层的Pt/C催化层表面添加一层CNT后, 可以改善催化层(CL)与气体扩散层(GDL)的接触, 加快电子传输, 降低界面接触电阻.此时, 用于电化学反应的Pt/C层与CCM-0是相同的, 但其电化学反应电阻明显降低, 说明CNT在Pt/C表面的添加改善了大电流条件下氧气和水的传输, 减小了浓差极化电阻.可能的原因为CNT层的孔隙率和孔径较大, 且CNT层也较Pt/C层憎水, 有利于反应物和水的传输.

    与在Pt/C层表面添加CNT层相比, 通过混合方式将CNT添加至Pt/C层中(CCM-2), 更有利于降低CL与GDL的接触电阻和电化学反应电阻.这主要原因在于在Pt/C层中添加CNT后, 由于CNT高的长径比以及优越的电子导电性能, 提升催化层的整体电子电导率, 同时还改善了CL与GDL界面接触, 降低了界面电子传输电阻; 此外, 将CNT添加至催化层中, 催化层的比表面积和孔径均有所增大, 大幅降低了反应物O2和产物水的传输阻力, 因此在大电流密度区CCM-2的输出性能明显提升.通常, 低Pt载量的薄层亲水催化层在大电流密度条件下容易发生水淹现象[25, 26], 使得O2的传输受限制, 导致催化层电化学反应阻抗变大. CCM-1和CCM-2电化学反应电阻的下降说明在催化层表面和内部添加CNT均有利于反应产物水的排出, 有利于反应物氧气传递到催化层中.而且CNT添加至催化层中还改善了催化层的孔结构和孔体积, 对反应物和产物的传输与表面添加方式相比更为有利, 因此, 电化学反应阻抗下降更为明显[18, 23, 27].

    为了进一步厘清CNT在催化层中的作用, 制备了阴极催化层只含有CNT (0.125 mgCNT·cm-2)作为催化层的膜电极(CCM-3), 与其它CCM在相同条件下进行测试, 其单电池的最高输出功率只有2.9 mW·cm-2, 而0.6 V工作电压下电极反应电阻高达1002.7 Ω·cm2(参见支持信息图S1和表S2), 表明CCM-2性能的提升并非CNT的催化作用, 而主要是由于CNT的加入改变了催化层微观结构, 进而改善了催化层中氧气和水的传输以及降低了催化层和气体扩散层的界面接触电阻.

    为了探究两种CNT添加方式对CCM性能提升时内阻降低获益、传输加快获益的权重, 本工作结合EIS结果对I-V曲线进行了IR降校正, 结果如图 4和表 1所示. 图 4展示了CNT添加方式对电池内阻及传质电阻引起的电压降对电池极化曲线的影响.在电流密度2 A·cm-2下, 与CCM-0相比, CCM-1的欧姆压降下降了46 mV, 由传质引起的电压降降低了57 mV, 欧姆压降和传质电压降下降对电池性能提升的贡献率分别为44.7%和55.3%.以上结果说明在低铂载量催化层表面添加一层CNT层即可同时改善电池内阻和气体传输.同样条件下, CCM-2的欧姆压降与CCM-0相比下降了60 mV, 由传质加快引起的电压降下降了124 mV, 说明改善传质是电池输出性能提升的主要因素(权重为67.4%).而且, 与CCM-1相比, CCM-2输出功率的提升幅度主要是由于传质改善获得增益更大, 即与表面添加方式相比, 混合添加方式的传质效率提高了21.9%.原因是在Pt/C层中添加CNT使催化层变得均匀且疏松多孔, 更有利于反应物氧气的传输和产物水的排出.

    图 4

    图 4.  CNT的添加方式对不同CCM输出性能提升的分析
    Figure 4.  Analysis for the adding mode of CNT to improve cell performance

    (a) CCM-1, (b) CCM-2

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    表 1

    表 1  不同CCMs的电池性能、交流阻抗以及CNT添加对CCM的电池性能影响原因分析信息表a
    Table 1.  Information of the cell performance, EIS and performance gain from internal resistance reduction and mass transmission enhancement of different CCMs
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    Sample Pmax/(W·cm-2) P0.6V/(W·cm-2) Rs/(Ω·cm2)(@0.6V) Rct/(Ω·cm2)
    (@0.6V)    		 ηiR/mV
    (@2A·cm-2)    		 ηRct/mV
    (@2A·cm-2)    		 欧姆电压降获益权重/% 传质电压降获益权重/%
    CCM-0 0.522 0.202 0.089 0.536
    CCM-1 0.639 0.210 0.066 0.287 46 57 44.7 55.3
    CCM-2 0.836 0.273 0.059 0.251 60 124 32.6 67.4
    aPmax和P0.6V分别是CCMs的最大功率密度和0.6 V时的功率密度; Rs为膜内阻, Rct为电化学反应电阻; ηiR为CCM-1和CCM-2相较于CCM-0的内阻校正值, ηRct为CCM-1和CCM-2相较于CCM-0由于质量传输增强而减少的过电势.

    为了考察CNT的添加对Pt催化剂的利用率是否有影响, 对CCM-0, CCM-1, CCM-2阴极催化层进行了循环伏安测试, 结果如图 5所示.从图 5a的CV曲线看出, 添加CNT后CCM-1的氢区面积和CCM-0无明显差异, 而CCM-2氢区峰面积明显大于CCM-0和CCM-1.对图 5a中CV曲线的氢区进行积分, 利用Eq. 1(见支持信息)计算Pt催化剂的电化学活性面积(ECSA)[27~30], 结果如图 5b所示.从图 5b可以看出, 三者的ECSA变化趋势和电池性能变化趋势一致. CCM-0阴极催化层的ECSA为28.9 m2·g-1, 而CCM-1和CCM-2的ECSA分别达到29.7 m2·g-1和37.3 m2·g-1, 较CCM-0分别提升了2.8%和29.1%.通过透射电子显微镜(TEM)对Pt/C纳米颗粒表征(图 5c), 并对其粒径进行了统计(图 5d), 得知Pt的平均粒径D＝3.3±0.08 nm.通过Eq. 2(见支持信息)计算得到CCM-0, CCM-1, CCM-2的Pt利用率分别为34.4%, 35.6%, 44.7%(图 5b).以上结果说明CNT添加至催化层中, 改善了催化层的三相界面, 从而显著提升了Pt催化剂的利用效率.可能的原因是混合方式添加CNT时, 在墨水的配制过程中CNT改善了Pt/C的分散性, 减缓了Pt/C的颗粒的团聚现象, 使更多的Pt纳米颗粒可以与聚合物电解质接触, 从而增大了Pt的电化学面积和利用效率[23, 31].

    2.3   CNT的添加量对膜电极的影响

    在确定阴极催化层中CNT较优的添加方式后, 进一步研究了CNT的在催化层中的添加量对电池性能的影响, 结果如图 6所示.在本文测试的CNT添加量范围内, 膜电极的输出性能均有提升; 且随着CNT添加量的增加, 膜电极的最大输出功率密度以及0.6 V工作电压下的输出功率密度均呈现先增大后减小的趋势(图 6b).当CNT的添加量为37.5 µg·cm-2时, 膜电极的输出性能最优, 其最高输出功率密度达到0.91 W·cm-2, 较CCM-0提升了74.3%. 图 6c为不同CNT添加量的CCMs在0.6 V工作电压下的EIS图谱.结果表明CNT添加量从0增加至37.5 µg·cm-2, 膜电极的内阻由0.089 Ω·cm2连续下降至0.047 Ω·cm2, 同时电荷转移电阻由0.536 Ω·cm2降低至0.194 Ω·cm2(如图 6d所示).其主要原因是提高在低Pt载量的薄层亲水电极催化层中CNT添加量增加了催化层的厚度, 改善了CL和GDL的接触, 降低了界面电阻; 而且由于CNT的高的长径比和优越电子导电性, 改善了催化层的电子电导.另外, 不同含量CNT的添加使催化层的孔隙率和孔径增大, 显著降低了O2和水的传输阻力, 例如在大电流密度2 A· cm-2下, 输出电压由未添加CNT (CCM-0)的0.217 V提高至CNT最优添加量37.5 µg·cm-2时的0.421 V, 由传输引起的浓差极化现象明显减小.该结果与文献报道一致[26].继续将阴极催化层中CNT的添加量由37.5 µg·cm-2增加至100 µg·cm-2时, 膜电极的内阻由0.047 Ω·cm2反而增大至0.052 Ω·cm2, 且电化学反应电阻也由最低值0.194 Ω·cm2增大至0.997 Ω·cm2(图 6c~6d).出现这一变化趋势可能是因为过高的CNT添加量导致催化层厚度过大, 使电子、质子、气体传输路径变长, 增加了传质阻力, 导致产物水无法顺利排出, 氧气传输受阻[32]; 在高电流密度区2 A·cm-2(图 6a)时, 放电电压也由CNT添加量为37.5 µg·cm-2时的0.421 V降低至CNT载量为100 µg·cm-2时的0.342 V, 与文献报道规律类似[33].

    图 5

    图 5.  (a) 三种CCMs的阴极催化层的循环伏安曲线、(b)电化学活性面积和铂的利用率、(c) Pt/C催化剂的透射电镜图和(d)铂颗粒的粒径分布.
    Figure 5.  Cyclic voltammograms curves (a), electrochemical surface and Pt utilization of three different CCMs (b), TEM image of Pt/C catalyst (c) and size distribution of Pt particles (d)
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    图 6

    图 6.  (a, b)不同CNT量的CCMs的电池性能和(c, d) 0.6 V条件下的交流阻抗谱图(测试条件: 70℃, 阴阳极100%加湿, 无背压)
    Figure 6.  (a, b) Cell performance of the CCMs with different content of CNT and (c, d) electrochemical impedance spectroscopy at 0.6 V of the CCMs with different content of CNT (test conditions: 70 ℃, 100 % relative humidity for both anode and cathode, without back pressure)
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    3.   结论

    探究了阴极催化层中CNT的添加方式和添加量对低铂膜电极电池性能的影响, 并从微观形貌层面探究了其构效关系.结果表明, 在催化层中混合添加CNT的方式有利于优化其孔隙结构, 从而降低接触电阻和传质电阻, 同时有利于提高催化层中铂的利用率.混合添加CNT的CCM最大输出功率较未添加和分步添加CCM的最高输出功率分别提升了60.0%和30.8%.另外, 通过对混合添加的方式中CNT的添加量的进一步优化, CNT的最优添加量为37.5 µg·cm-2时, 电池的最大输出功率达到0.91 W·cm-2 (70 ℃、阴阳极100%加湿和无背压条件).总之, 本研究通过在低Pt载量的质子交换膜燃料电池的催化层中引入CNT的方式, 从微观结构改善了催化层和气体扩散层的接触界面, 加速了传质过程, 从而大幅度提高了电池性能, 对催化层微观形貌与质子交换膜燃料电池性能之间的构效关系的理解有一定意义.

    4.   实验部分

    本研究中膜电极的有效面积为2 cm×2 cm.阳极催化层的制备方法为:按照一定比例将Pt/C催化剂、异丙醇与5 wt% Nafion®溶液混合均匀得到催化剂墨水, 然后采用超声喷涂方法将在Nafion 211膜上得到阳极催化层, 其中铂载量为0.1 mg·cm-2, 催化层中Nafion的含量为20 wt%.

    阴极催化层的制备:按照一定比例将Pt/C催化剂、异丙醇与5 wt% Nafion®溶液混合均匀制备催化剂墨水, 然后在上述含有阳极催化层的Nafion 211膜的另一侧上采用超声喷涂方法得到阴极催化层, 记为CCM-0;若在上述阴极催化层上进一步喷涂由CNT、异丙醇和Nafion®溶液组成的墨水, 形成双层结构的催化层, 记为CCM-1;将一定比例的CNT、Pt/C催化剂、异丙醇与5 wt% Nafion®溶液超声混合均匀后喷涂在上述含有阳极催化层的Nafion 211膜的另一侧上得到复合阴极催化层, 记为CCM-2.三种阴极催化层中Pt载量均为0.1 mg·cm-2; 此外, CCM-1和CCM-2中CNT的含量为25 µg·cm-2.

    将一定比例的CNT、异丙醇与5 wt% Nafion®溶液超声混合均匀后喷涂在上述含有阳极催化层的Nafion 211膜的另一侧上得到CNT的阴极催化层(无Pt/C催化剂), 记为CCM-3, 其中CNT的含量为0.125 mg·cm-2.

    催化层的微观结构表征用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和氮物理吸附法, 具体见支持信息.燃料电池单电池性能测试采用Greenlight G20燃料电池测试系统和普林斯顿电化学工作站(Princeton PARSTAT 4000+)进行.测试条件为70 ℃、100%加湿和无背压, I-V极化曲线扫速为10 mV·s-1; 膜电极阻抗采用恒压工作模式(0.6 V), 阻抗频率范围为100 kHz~0.1 Hz, 偏压为10 mV; Pt催化剂的ECSA采用循环伏安法, 电压范围为0.08~1.2 V, 扫速为50 mV·s-1, 其中Pt的电化学活性面积ECSA和利用率UPt[28~30, 33]分别采用Eqs. 1, 2计算, 具体见支持信息.

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  • 图 1  不同CCMs的阴极催化层断面扫描电镜图

    Figure 1  SEM images for cross-section of CCM with different cathode catalytic layer

    (a, d) CCM-0, (b, e) CCM-1, and (c, f) CCM-2.

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    图 2  CNT的添加对低铂载量催化层孔径以及孔体积的影响

    Figure 2  Effect of CNT addition on pore size and pore volume of low-Pt loading catalytic layer

    (a) N2 adsorption isotherm and (b) pore size distribution of CCM-0 and CCM-2 catalytic layer

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    图 3  不同CCMs的电池性能(a)及0.6 V条件下的交流阻抗谱图(b)(测试条件: 70 ℃, 阴阳极100%加湿, 无背压)

    Figure 3  Cell performance (a) and electrochemical impedance spectra at 0.6 V (b) of different CCMs (operating condition: 100% relative humidity, 70 ℃ and without back pressure)

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    图 4  CNT的添加方式对不同CCM输出性能提升的分析

    Figure 4  Analysis for the adding mode of CNT to improve cell performance

    (a) CCM-1, (b) CCM-2

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    图 5  (a) 三种CCMs的阴极催化层的循环伏安曲线、(b)电化学活性面积和铂的利用率、(c) Pt/C催化剂的透射电镜图和(d)铂颗粒的粒径分布.

    Figure 5  Cyclic voltammograms curves (a), electrochemical surface and Pt utilization of three different CCMs (b), TEM image of Pt/C catalyst (c) and size distribution of Pt particles (d)

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    图 6  (a, b)不同CNT量的CCMs的电池性能和(c, d) 0.6 V条件下的交流阻抗谱图(测试条件: 70℃, 阴阳极100%加湿, 无背压)

    Figure 6  (a, b) Cell performance of the CCMs with different content of CNT and (c, d) electrochemical impedance spectroscopy at 0.6 V of the CCMs with different content of CNT (test conditions: 70 ℃, 100 % relative humidity for both anode and cathode, without back pressure)

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    表 1  不同CCMs的电池性能、交流阻抗以及CNT添加对CCM的电池性能影响原因分析信息表a

    Table 1.  Information of the cell performance, EIS and performance gain from internal resistance reduction and mass transmission enhancement of different CCMs

    Sample Pmax/(W·cm-2) P0.6V/(W·cm-2) Rs/(Ω·cm2)(@0.6V) Rct/(Ω·cm2)
    (@0.6V)    		 ηiR/mV
    (@2A·cm-2)    		 ηRct/mV
    (@2A·cm-2)    		 欧姆电压降获益权重/% 传质电压降获益权重/%
    CCM-0 0.522 0.202 0.089 0.536
    CCM-1 0.639 0.210 0.066 0.287 46 57 44.7 55.3
    CCM-2 0.836 0.273 0.059 0.251 60 124 32.6 67.4
    aPmax和P0.6V分别是CCMs的最大功率密度和0.6 V时的功率密度; Rs为膜内阻, Rct为电化学反应电阻; ηiR为CCM-1和CCM-2相较于CCM-0的内阻校正值, ηRct为CCM-1和CCM-2相较于CCM-0由于质量传输增强而减少的过电势.
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  • 发布日期:  2019-01-15
  • 收稿日期:  2018-08-21
  • 网络出版日期:  2018-01-30
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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