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ICM论文 | 质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极中的铂载量对膜电极组件的耐久性有何影响？
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文章导读
质子交换膜燃料电池（proton-exchange membrane fuel cell，PEMFC）是一种可以将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，是未来汽车领域应用的主流方向。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60~80%，为内燃机的2~3倍。但目前制约燃料电池汽车大规模应用的是其高昂的成本问题（铂用量过多）以及电极材料稳定性不佳（商业铂碳易衰减）的现状。目前关于PEMFC器件中阴阳极衰减机制已经有诸多研究，但关于阴极铂负载对整个PEMFC组件耐久性实际影响的研究仍然非常有限。
法国University Grenoble Alpes的Marian Chatenet团队针对不同阴极铂载量的膜电极MEA进行了多应力源加速压力测试（AST），创新性地结合了湿度循环、开路保持及负载循环，从而在更加接近真实工况下揭示了不同阴极Pt载量对于MEA性能的影响。通过电化学循环测试对比循环前后电化学活性面积（ECSA），电压损失率等相关参数，并通过相关表征深入研究了不同铂载量MEA在实际循环测试中出现的粒径变化、催化层厚度变化等。从而得出结论：低阴极铂负载会导致电极性能下降，且MEA初始降解速度更快，但Pt/C降解的机制并不取决于阴极的铂负载量。
图文摘要
研究亮点
★ 采用多应力源加速压力测试（AST）条件，创新性地结合了湿度循环、开路保持及负载循环测试，在更接近真实工况下揭示了不同阴极Pt载量对于MEA性能的影响。
★ 低阴极Pt负载会导致电极性能下降，且MEA初始降解速度更快，但Pt/C在阴极的降解机制不依赖于阴极铂负载，只有奥斯特瓦尔德熟化取决于阴极铂负载量。
图文解读
1. 不同阴极铂载量MEA加速压力循环前后电化学测试分析
图1为不同阴极铂载量下加速压力测试前后的极化曲线图和不同电流密度下的电压损失图。图1a中显示高负载量的电池性能明显增强，在传质限制区（j>1.5 A cm-2）达到最大值。高负载量的总体限制（激活、欧姆和传质）最小，并且通过高频电阻、电荷转移电阻和扩散电阻的降低可以进一步说明这一点。图1b可以看出，即使在低电流密度（0.2 A cm-2）下，0.05-Pt/C仍然有显著的电压损失，在高电流密度下甚至完全失活。相比之下，高载量的MEA（0.2-Pt/C和0.3-Pt/C）表现出更小的性能损失，因此可以得出更大的阴极铂载量导致更好的MEA耐久性。
图1. 不同阴极铂载量MEA极化曲线图（a）和不同电流密度下电压损失图 （b）
2. 不同阴极铂载量MEA加速压力循环前后GIXRD分析
GIXRD分析了不同阴极铂载量的MEA加速压力循环前后铂的晶相及晶粒尺寸。由于两个最强烈的衍射峰位于2θ角40°-50°之间，与宽碳峰和一些PTFE接触较为紧密，因此选用2θ角为68°的衍射峰来确定铂的晶粒尺寸。通过Scherrer方程拟合出的循环前后铂晶粒的增长趋势与TEM结果大致相同，但粒径的差值却有很大差异。这种情况的发生可能是由于不同铂负载的阴极电位不同，薄阴极和厚阴极内催化层的降解程度不同，最薄的阴极比最厚的阴极更容易发生Pt2+在阴极催化层中的再沉积。
图2. 不同阴极铂载量GIXRD图
3. 更多内容
总结与展望
本文针对不同阴极铂载量的MEA进行了多应力源加速压力测试（AST），更精确地检测并分析了不同铂载量的MEA在实际工况下的耐久性差异。通过极化曲线、电化学阻抗谱对MEA进行了表征，发现低载量MEA在高电流区域传质阻力更大，并且在加速压力循环测试中损失更大。通过透射电镜数据表明，低载量下发生奥斯特瓦尔德熟化过程更加明显（即颗粒长大过程），这是由于在大电流下工作电位较低，从而减轻了铂的再沉积现象。此外，阴极催化层中由于铂腐蚀氧化的Pt2+扩散并重新沉积在靠近阴极和膜的界面中。最后，本文得出Pt/C在阴极的降解机制不依赖于阴极Pt负载，只有奥斯特瓦尔德熟化取决于阴极Pt负载量。
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本文来自University Grenoble Alpes 的 Marian Chatenet教授团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：Does the platinum-loading in proton-exchange membrane fuel cell cathodes influence the durability of the membrane-electrode assembly? https://doi.org/10.1039/D3IM00059A
引用信息: Ind. Chem. Mater., 2023, 1, 501-515
作者简介
通讯作者
Marian Chatenet, 法国University Grenoble Alpes教授，2000年获得Grenoble INP博士学位，后在美国明尼苏达大学担任博士后研究员，于2002年担任Grenoble INP副教授，并于2011年成为Grenoble INP教授。主要致力于界面电化学、电催化以及PEMFC电极和催化剂的耐久性研究。Chatenet教授目前已发表200余篇论文，h指数为56，总被引达9400余次。入选2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。
编辑/排版：ICM编辑部
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