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文獻解讀丨工作溫度匹配的陽極鈀-氫緩沖層大幅度提升高溫燃料電池耐久性

閱讀:464        發(fā)布時間:2023-9-25

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圖片包含 日程表

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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、啟動迅速、能夠連續(xù)供電等技術特點,為解決能源與環(huán)境問題具有重要戰(zhàn)略意義。PEMFCs在恒定輸出功率下運行一般是非常穩(wěn)定的,但其在啟動/停止以及大電流等工作狀況會導致PEMFCs運行時出現(xiàn)局域燃料缺乏以及輸出延遲等現(xiàn)象,嚴重降低PEMFCs的性能和穩(wěn)定性。在此期間陰極或者環(huán)境中滲入陽極的氧氣會在陰極產(chǎn)生氫氣-氧氣擴散邊界,使得陽極和陰極的電位同時升高,特別是陰極的電位甚至會高達1.5 --2.0V產(chǎn)生嚴重的碳腐蝕以及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)催化劑電化學活性比表面積,甚至會導致PEMFCs停止工作。為了解決上述關鍵問題,團隊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)陽極中設計了高效的把-氫氣緩沖層,氫氣能夠在燃料饑餓工況下釋放出來,有效提升燃料電池耐燃料饑餓和抗電流反轉的能力。

 

廚房的擺設布局

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1. X射線光電子能譜儀(島津-KRATOS公司,AXIS SUPRA)

 

圖示

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2.氫氣在Pd晶格中嵌入和脫出過程

 

通過原位XRD和TPD測試分析表明,氫原子在室溫氫氣環(huán)境下會自發(fā)進入Pd晶格間隙位點。隨著溫度的升高到106 ℃,Pd晶格間隙中亞表層的氫原子會逐漸釋放出來。這一釋放過程可以持續(xù)1小時左右。當溫度降低時,氫原子會重新進入Pd晶格間隙位置。

 

圖形用戶界面, 圖示, 工程繪圖

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3.HT-PEMFCs耐燃料饑餓性能分析

 

通過在HT-PEMFCs催化層結構設計,發(fā)現(xiàn)Pd可以作為陽極氫氣緩沖層,在低溫時能自發(fā)儲存氫氣,而在HT-PEMFCs運行溫度下又能原位持續(xù)釋放氫氣1小時以上,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。

 

圖表, 圖示

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4. 利用XPS分析耐燃料饑餓測試后電極材料價態(tài)結構的變化

 

進一步,團隊通過準原位XPS和XRD模擬實驗發(fā)現(xiàn)燃料饑餓后陽極催化層Pt的價態(tài)略有下降,而Pd價態(tài)升高,說明Pd吸收了燃料饑餓期間泄露到陽極的氧氣,而燃料饑餓后陰極催化層Pt價態(tài)基本不變,說明Pt在HT-PEMFCs工況以及O2氣氛中較難被進一步氧化。因此Pd可以作為HT-PEMFCs陽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。

 

本文結合HT-PEMFCs工況特點,通過利用Pd金屬在不同溫度下的氫氣儲存/釋放特性,將Pd作為HT-PEMFCs陽極氫氣的“緩沖池”,構筑了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能力,大幅增強HT-PEMFC抗燃料饑餓性能和長時間穩(wěn)定性。相關研究為設計開發(fā)燃料電池高性能膜電極具有重要意義。

 

文獻題目

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;

 

 

聲明

1、所引用文獻僅供讀者研究和學習參考,不得用于其他營利性活動。

2、本文內(nèi)容非商業(yè)廣告,僅供專業(yè)人士參考。

 

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