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2燃料电池关键材料与部件
2.1电催化剂
电催化是燃料电池的关键材料之一,其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前的热点。
2.1.1Pt-M催化剂
Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化剂,在提高稳定性的同时,也提高质量比活性,还降低了贵金属的用量。如Chen等制备了高活性与高稳定性的电催化剂(图5)。
图5Pt3Ni纳米笼结构ORR催化剂形成过程
2.1.2Pt核壳催化剂
利用非Pt材料为支撑核、表面贵金属为壳的结构,可降低Pt用量,提高质量比活性。如中国科学院大连化学物理研究所制备的Pd@Pt/C核壳催化剂,其氧还原活性与稳定性好于商业化Pt/C催化剂(图6)。
图6PdPt核壳催化剂质量比活性与稳定性与商业化催化剂比较
2.1.3Pt单原子层催化剂
制备Pt单原子层的核壳结构催化剂是一种有效降低Pt用量、提高Pt利用率,同时改善催化剂的ORR性能的方式。美国国家实验室Adzic的研究组和海交通大学张俊良等在这方面比较活跃。
2.1.4非贵金属催化剂
非贵金属催化剂的研究主要包括过渡金属原子簇合物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物与碳化物等。在这方面,各种杂原子掺杂的纳米碳材料成为研究热点,如N掺杂的非贵金属催化剂显示了较好的应用前景。
2.2固态电解质膜
车用燃料电池中质子交换膜(PEM)是一种固态电解质膜,其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子(H+)。目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜,其化学式如图7所示。
图7全氟磺酸Nafion膜的化学结构
山东东岳集团长期致力于全氟离子交换树脂和含氟功能材料的研发,产品的性能达到商品化水平(图8),但批量生产线还有待进一步建设。
图8国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较(东岳公司提供)
此外,为了提高性能,日趋薄化的质子交换膜耐久性受到考验,于是一系列质膜改性而来的增强复合膜不断被开发出来。
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