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簡介
(1)使用鈦燒結氈作為燃料電池氣體擴散層,碳纖維容易腐蝕;
(2)鈦燒結氈鍍層方法包括涂覆-烘焙法、脈沖電鍍;
鈦纖維氈厚度最低0.25mm, 孔 隙率50-70%, 結構更有利于氣液傳質 。 為保持其電導率, 需在表面鍍鉑、銥。存在貴金屬用量大價格高昂問題; 存在涂層穩定性較差 ,脫落覆蓋陽極催化層等問題。
1. 鈦氈陽極氣體擴散層
燒結鈦氈作為鉑催化劑沉積的基材。 使用的樣品是圓形的,直徑30mm,厚度為 1 mm,,孔隙率高于 70%。具體處理步驟如下:
(1)去氧化膜:鈦氈已在來自德國 Wieland Edelmetalle 的電解酸洗溶液,基于硝酸和氫氟酸,室溫下 pH 值為 0.5; 然后2.5V電壓已施加到毛氈上,引起鈦/二氧化鈦表面的陽極溶解。基于對電極鍍有來自 Wieland Edelmetalle 鉑金的鈦膨脹網已用于此目的準備步驟。
(2)氬氣清洗:用去離子水沖洗后,鈦工件表面經過等離子處理在氬氣中,以去除鈦表面上仍然殘留的污染物。 等離子反應器使用德國 PINK Thermosysteme GmbH 的 Pink V 15-G 型并設置參數至 100 ml min-1 的氬氣流速, 在 60 Pa 的氣壓處理30 分鐘,微波功率 400 W。
(3)鍍層:連續進行等離子物理清洗過程并用去離子水進一步沖洗,鈦纖維在氬氣下通過電化學方法立即鍍上鉑金。來自 Wieland Edelmetalle 的市售電鍍浴類型 Galvatron Platinbad已使用基于六氯鉑酸。浴參數設置為 8 的 pH 值和溫度為 50 °C。電鍍過程在恒定陰極電壓下進行 10 分鐘,-3.2 V 與對電極(來自 Wieland Edelmetalle 的鈦/鉑)。在此期間電鍍過程中,鈦電極放置在兩個連接的對電極之間電。隨后,為了增加催化劑的電化學活性在表面積沉積微米級和納米級鉑顆粒,電鍍模式已切換到在陰極電壓為 -3.0 V 的情況下對對電極進行脈沖電鍍,而不會中斷過程。開啟時間設置為 10 毫秒,關閉時間設置為 56.7 毫秒,因此占空比為 15%循環。電鍍過程的第二部分再進行 10 分鐘。
(4)MEA組裝:電極已用 0.5 ml Nafion? 質子導電離聚物溶液浸漬(5 wt.% 在乙醇中) 隨后鍍鉑。 該溶液已通過氣刷涂抹鑄造,而鈦基電極連接到加熱的樣品架上。 氣溫設置為 60 °C 以加速乙醇從電極表面蒸發。
(5)和雙極板組成電堆,20組。
2. 鈦氈上的鉑涂層
下圖顯微圖像分別顯示了具有鉑涂層的燒結鈦纖維。 位于毛氈外側的纖維才能保護整個涂層,這種效應可以通過原電池(工作電極位于兩個反電極之間并平行于兩個反電極)內的電場分布來解釋。涂層足以使鉑納米顆粒長期穩定粘附。 下圖為通過脈沖電鍍工藝沉積在鍍鈦纖維上的鉑顆粒的顯微照片。
3.鈦纖維氈應用案例介紹 (大化所)
(1)鈦纖維氈涂層制備:
采用濃 鹽酸刻蝕 焙燒還原法將 責金屬混合氧化 物涂 層制備在鈦纖維 氈表面,在傳質能力較優的鈦纖 維氈表面制備一 層 Ir02 與 Ru02 混 合 MMO 涂層。
將厚0.25mm 鈦纖維氈 置 于53℃的35%HCL 中 加熱 5分鐘,徹底去除氧化層并 提高纖維表 面粗糙度 , 依次置于去離子水及無水乙醇中超聲清洗 5-10分鐘清洗 。 配制總濃度 0.03 mol/L 氯銥酸 、 RuC1 3 與 TaCU昆合溶液 , 按 照貴金屬載量 1 mg/ cm2 計算涂敷量 , 共涂敷 5-7 次 ,每次涂敷結束后 在馬弗爐 中 455℃ 焙燒10 mi n ,最后一次焙燒 30min 。
(2)形貌分析
鹽酸腐蝕后的鈦纖維表面有微米級的溝槽和孔洞,為纖維和涂層結合提供更多的點位,提高涂層穩定性。隨著涂層含有Ru量增加,涂層中晶粒長度逐漸提高。
(3)電阻率: 與對比的鍍鉑多孔燒結鈦板電阻率接近,考慮RuO2穩定性比IrO差,應嚴格控制圖層中RuO2含量。
(4) 電解池測試:以Nafion115膜為質子交換膜 , 陽極 噴涂 1mg/cm2銥黑催化劑 , 陰 極噴涂0.4mg/cm2的70% Pt/ C 催化劑 。 催 化 劑 與Nafion樹脂的質量比為 3:1 。 陰 極擴散層采用碳紙 , 表面制備微孔層 。 熱壓法制備得到 5cm2膜電 極組件(MEA) , 使用鍍 鉑陽極 流場及端板組裝電 解池。采用0.6mm鍍鉑多孔鈦板做對比。
極化曲線測試 :陽極通入 18.2MΩ.cm 超純水,電解池運行溫度 80℃ 。
未經酸洗的鈦氈在高電流密度去性能較差;經過表面酸洗蝕刻的鈦氈,在2A /cm2時1.84V,低于多孔鈦板的1.909V。考慮經濟性與穩定性,涂層摩爾比IrO:RuO2以7:3較好。
對比不同厚度的鈦氈性能,由于厚度提高導致鈦纖維氈孔隙率下降,氣液傳質能力下降,極化阻抗增加。
對比鈦纖維氈和膜電極組裝方法:低電流區小于1A/cm2, 熱壓性能較差,由于鈦纖維氈硬度高,表面無微孔層,導致催化層受損;高電流區,未熱壓性能差,由于鈦纖維氈不能與膜電極充分接觸,造成傳質困難。
電化學阻抗譜測試 : 電解池持續 通人 10mL/min 的18.2MΩ.cm 超純水,電 解池 運行 溫度80℃,使用工作 站恒電壓1.45V進行測試 ,10mV波動 電壓 , 擾動頻率1Hz-10kHz.
參考文獻:
《PEM水電解池低成本陽極鈦纖維氈擴散層研究》
《Long-term Stable Electrodes Based on Platinum Electrocatalysts Supported on Titanium Sintered Felt for the Use in PEM Fuel Cells》2018
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原文始發于:4. PEM電解槽鈦氈簡介(1)