[01651336]质子交换膜燃料电池关键技术及性能提升机理研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种绿色环保能源,然而其商业化仍受成本、性能和寿命的制约;其中催化剂运行过程中性能衰减是制约PEMFC商业化的关键因素之一。本项目在国家自然科学基金、黑龙江省留学基金等项目的资助下,系统地开展了质子交换膜燃料电池催化剂衰减机理、催化剂稳定性提升关键技术、膜电极制备技术、单体电池性能提升关键技术等研究工作。明确了催化剂衰减机理,提出了催化剂提升技术方法、确定了最佳膜电极制备技术,实现了单体电池性能的提升。取得如下主要创新性成果：1)采用高稳定性氧化物为载体提高催化剂稳定性是目前研究的热点问题之一。然而氧化物导电性差,导致催化剂的活性较低。为了提高Pt助催化剂CeO2的电子导电性,首次利用β-环糊精在介孔CeO2表面原位碳化,然后再沉积Pt纳米粒子,实现了Pt纳米粒子与CeO2和C的充分接触,有效地解决了载体导电性差、屏蔽电子而影响催化剂活性和稳定性的科学难题。2)首次采用原位葡萄糖碳化的方法在制备的Pt/C催化剂Pt颗粒周围构筑碳层进行固铂处理,与未经原位碳化固铂处理的Pt/C催化剂相比,催化剂稳定性明显提高。3)首次采用化学性质稳定的TiO2提高催化剂载体的稳定性,并采用葡萄糖原位碳化的方法进一步处理从而得到碳包覆Pt/TiO2-C催化剂。实现了TiO2-C复合,提高了TiO2导电性,显著增强了炭黑载体和催化剂的稳定性。4)首次将纳米TiO2和Al2O3作为填充物,多壁碳纳米管（MCNTs）为纳米胶囊,并以其为载体,制备了纳米微囊型Pt/MCNTs-TiO2（Al2O3）催化剂,并进行了葡萄糖原位碳化覆碳处理。通过TiO2/Al2O3与MCNTs相互作用,显著增加了MCNTs表面活性点,促进了Pt纳米粒子的沉积,进而提高Pt催化剂的分散性,增大电化学活性表面积。制备的催化剂活性没有降低,而稳定性却分别提高了7。5) 研究了MEA制备技术,采用自行研制的催化剂和MEA制备技术用于PEMFC和DMFC,PEMFC实验运行2250小时性能无明显衰减,DMFC运行312小时,电压衰减速率为0.07mV/h,接近商业化需要。 通过本项目研究工作,在Advanced Materials、Chemical communications、Energy ＆ Environmental Science、Nanoscale、Applied Catalysis B：Environ.、J. Phys. Chem. C、J. Power Sources等国内外著名期刊上发表科研论文80余篇,其中SCI收录论文60多篇,SCI引用超过1000次,他引超过800次,这些引用论文分别发表在Journal of The American Chemical Society,Advanced Materials,Chemical Communications,ACS Catalysis,Chemistry-A European Journal,Applied Catalysis B-Environmental,Journal of Materials Chemistry A,Journal of Power Sources,Electrochimica Acta,International Journal of Hydrogen Energy,Physical Chemistry Chemical Physics,Nano Energy等国际著名科技期刊上。按论文发表当年计算影响因子总和为200以上;3篇论文入选ESI数据库10年高引用论文（前1%）;申请国家发明专利10项,授权6项。