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文獻(xiàn)解讀丨工作溫度匹配的陽(yáng)極鈀-氫緩沖層大幅度提升高溫燃料電池耐久性
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質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFCs)其具有清潔高效、比功率高、啟動(dòng)迅速、能夠連續(xù)供電等技術(shù)特點(diǎn)，為解決能源與環(huán)境問(wèn)題具有重要戰(zhàn)略意義。PEMFCs在恒定輸出功率下運(yùn)行一般是非常穩(wěn)定的，但其在啟動(dòng)/停止以及大電流等工作狀況會(huì)導(dǎo)致PEMFCs運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)局域燃料缺乏以及輸出延遲等現(xiàn)象，嚴(yán)重降低PEMFCs的性能和穩(wěn)定性。在此期間陰極或者環(huán)境中滲入陽(yáng)極的氧氣會(huì)在陰極產(chǎn)生氫氣-氧氣擴(kuò)散邊界，使得陽(yáng)極和陰極的電位同時(shí)升高，特別是陰極的電位甚至?xí)哌_(dá)1.5 --2.0V產(chǎn)生嚴(yán)重的碳腐蝕以及Pt納米催化劑溶解聚集現(xiàn)象，增加膜電極內(nèi)阻，大幅度減小陰極催化層內(nèi)催化劑電化學(xué)活性比表面積，甚至?xí)?dǎo)致PEMFCs停止工作。為了解決上述關(guān)鍵問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)基于溫度匹配策略在高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（HT-PEMFCs）陽(yáng)極中設(shè)計(jì)了高效的把-氫氣緩沖層，氫氣能夠在燃料饑餓工況下釋放出來(lái)，有效提升燃料電池耐燃料饑餓和抗電流反轉(zhuǎn)的能力。
圖1. X射線光電子能譜儀（島津-KRATOS公司，AXIS SUPRA）
圖2.氫氣在Pd晶格中嵌入和脫出過(guò)程
通過(guò)原位XRD和TPD測(cè)試分析表明，氫原子在室溫氫氣環(huán)境下會(huì)自發(fā)進(jìn)入Pd晶格間隙位點(diǎn)。隨著溫度的升高到106 ℃，Pd晶格間隙中亞表層的氫原子會(huì)逐漸釋放出來(lái)。這一釋放過(guò)程可以持續(xù)1小時(shí)左右。當(dāng)溫度降低時(shí)，氫原子會(huì)重新進(jìn)入Pd晶格間隙位置。
圖3.HT-PEMFCs耐燃料饑餓性能分析
通過(guò)在HT-PEMFCs催化層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)Pd可以作為陽(yáng)極氫氣緩沖層，在低溫時(shí)能自發(fā)儲(chǔ)存氫氣，而在HT-PEMFCs運(yùn)行溫度下又能原位持續(xù)釋放氫氣1小時(shí)以上，是相同情況下Pt的37倍，有效提升燃料電池耐燃料饑餓性能。
圖4. 利用XPS分析耐燃料饑餓測(cè)試后電極材料價(jià)態(tài)結(jié)構(gòu)的變化
進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)通過(guò)準(zhǔn)原位XPS和XRD模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燃料饑餓后陽(yáng)極催化層Pt的價(jià)態(tài)略有下降，而Pd價(jià)態(tài)升高，說(shuō)明Pd吸收了燃料饑餓期間泄露到陽(yáng)極的氧氣，而燃料饑餓后陰極催化層Pt價(jià)態(tài)基本不變，說(shuō)明Pt在HT-PEMFCs工況以及O2氣氛中較難被進(jìn)一步氧化。因此Pd可以作為HT-PEMFCs陽(yáng)極氫氣緩沖層和氧氣吸收劑，提供額外的原位氫氣，并在燃料饑餓期間吸收滲透的氧氣，從而抑制陰極催化層降解，大幅度提升HT-PEMFCS在工況下的耐久性。
本文結(jié)合HT-PEMFCs工況特點(diǎn)，通過(guò)利用Pd金屬在不同溫度下的氫氣儲(chǔ)存/釋放特性，將Pd作為HT-PEMFCs陽(yáng)極氫氣的“緩沖池”，構(gòu)筑了Pd-H緩沖層膜電極，在燃料饑餓工況下為電池持續(xù)供氫，有效提升燃料電池抗電流反轉(zhuǎn)能力，大幅增強(qiáng)HT-PEMFC抗燃料饑餓性能和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。相關(guān)研究為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)燃料電池高性能膜電極具有重要意義。
文獻(xiàn)題目
《Durable High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells Enabled by the Working-Temperature-Matching Palladium-Hydrogen Buffer Layer》
使用儀器
島津AXIS SUPRA
作者
Gen Huang, Yingying Li, Li Tao*, Zhifeng Huang, Zhijie Kong, Chao Xie, Shiqian Du, Tehua Wang, Yujie Wu, Qie Liu, Dongcai Zhang, Jiaqi Lin, Miaoyu Li, Jun Wang,
Jin Zhang, Shanfu Lu, Yi Cheng, Shuangyin Wang*
State Key Laboratory of Chem/Bio-Sensingand Chemometrics, College of Chemistry and ChemicalEngineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, P.R. China;
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