[发明专利]评估燃料电池催化剂在额定电势下氧还原活性的方法在审

专利信息
申请号: 201811230728.8 申请日: 2018-10-22
公开(公告)号: CN109507240A 公开(公告)日: 2019-03-22
发明(设计)人: 潘牧;饶妍;谭金婷 申请(专利权)人: 武汉理工大学
主分类号: G01N27/06 分类号: G01N27/06
代理公司: 湖北武汉永嘉专利代理有限公司 42102 代理人: 崔友明;孙方旭
地址: 430070 湖*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 电势 电化学阻抗谱 燃料电池 燃料电池催化剂 电荷传输 氧还原 阻抗 评估 质子交换膜燃料电池 阴极 测量燃料电池 等效电路拟合 高活性催化剂 催化剂表征 传输阻抗 工作电势 阴极电荷 传统的 高电势 恒电流 恒电压 膜电极 指示符 分频 催化剂 编程 解析 筛选 测试
【说明书】:

发明设计了一种评估燃料电池催化剂在额定电势下氧还原活性的方法,包括测量燃料电池在不同电势区间的电化学阻抗谱,得到阴极的电荷传输阻抗值。燃料电池的电化学阻抗谱可以在不同的电势下进行测试,可以采用恒电流模式或者恒电压模式。由燃料电池的电化学阻抗谱得到阴极电荷传输阻抗值,可以采用等效电路拟合方法得到,或者可以使用分频、编程的解析方法获得。与传统的催化剂表征方法相比,本发明使用电荷传输阻抗用作指示符,不仅在高电势0.9V下适用,并且能够评估催化剂在燃料电池实际工作电势下的活性,能够筛选出用于质子交换膜燃料电池膜电极用高活性催化剂。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池催化剂评估技术领域,尤其涉及一种评估燃料电池催化剂在额定电势下氧还原活性的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于具有很高的功率密度且清洁环保,已成为最受关注的能源装置。高成本是阻碍质子交换膜燃料电池商业化发展的重大瓶颈,而其中Pt基催化剂的使用,极大地提高了燃料电池的成本。为了与内燃机成本相比较,质子交换膜燃料电池要求在一辆功率为80kW的汽车上仅使用10g贵金属Pt,即每千瓦电量仅需Pt用量0.125克。据此,美国DOE提出了1W/cm2的膜电极性能指标,对应的Pt载量为0.125mg/cm2。要求膜电极的 Pt用量0.125g/kW,功率密度达到1.4W/cm2的性能指标,则相应的Pt载量为0.175mg/cm2。所以,发展低Pt载量高性能的膜电极是促进质子交换膜燃料电池商业化的必经之路。

随着阴极Pt载量的降低,特别是当Pt载量降至0.1mg/cm2以下时,活化过电势会急剧增大,这取决于催化剂催化氧还原反应的活性,所以寻求具有更高活性的催化剂是一项重要课题。美国DOE提出,2020年车用燃料电池催化剂的性能指标,在0.9V下要达到0.44 A/mg的质量比活性,0.7mA/cm2的面积比活性。2016年DOE年度工作评估报告显示,Pt 合金催化剂的活性均高于Pt/C催化剂并已经达到甚至超过这一指标。但是,由Pt合金催化剂制成的膜电极性能在实际工作电压区间反而低于Pt/C催化剂制成的膜电极性能。 PtCo、PtNi合金催化剂能够达到DOE的催化剂指标,但是不能达到膜电极的性能指标,因此不能用0.9V下的氧还原活性评价催化剂在膜电极中的性能。而目前催化剂氧还原活性的指示符,包括DOE给出的指标,均是在高电势下适用,其活性并不能代表催化剂在燃料电池实际工作区间(0.8V-0.6V)的催化活性,所以我们不仅需要寻找具有更高活性的催化剂,更需要在燃料电池额定电势区间具有高催化活性的催化剂,研究催化剂在额定电势下催化活性的表征方法对筛选高性能的燃料电池膜电极用氧还原催化剂至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是,提供一种评估燃料电池催化剂在额定电势下氧还原活性的方法,能够评估催化剂在高电势区间和额定电势区间的催化活性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种评估燃料电池催化剂在额定电势下氧还原活性的方法,该方法包括以下步骤,测量燃料电池在不同电势区间的电化学阻抗谱,得到阴极的电荷传输阻抗值。

电荷传输阻抗值越小,代表电化学反应更容易发生,催化剂具有更高的催化活性。

可以依据计算公式可由电荷传输阻抗Rct逆推得出Tafel斜率,从而获得不同电势下的Tafel斜率值,计算公式如下:

推导过程为:在高的过电势下,Butler-Volmer方程可简化为:

j=j0eαnFη/RT) (1)

解得Tafel方程,

根据电荷传输阻抗的定义式,

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