双极膜燃料电池催化层中Ag/C纳米颗粒的聚集状态

　　与传统聚合物膜燃料电池不同，双极膜燃料电池由于采用双极膜作为聚合物电解质膜以及优化的酸性阳极和碱性阴极独特结构，因此具有水管理简单及可利用非贵金属催化剂等独特优点。虽然在传统聚合物膜燃料电池中聚合物电解质对电极结构和电池性能影响有很多的研究，但是在双极膜燃料电池电极中电解质的含量如何影响非贵金属催化剂的聚集状态以及电池性能仍然不清楚。北京航空航天大学仿生能源与器件北京市重点实验室的相艳教授和卢善富教授研究组对双极膜燃料电池中阴极碱性电解质的含量对Ag/C催化剂聚集状态和电池性能的影响进行了深入的研究，相关的研究成果发表在2017年4月14日的《Journal of Power Sources》上。 

　　该研究组通过研究催化层中碱性电解质的含量对电极的阻抗、Ag催化剂的活性以及电池的输出功率的影响，表明当阴极中碱性电解质的含量从10%增加到30%时，电池在20%碱性电解质含量时电极具有最小的电荷转移电阻以及Ag纳米催化剂具有最高的电化学活性面积，并且此时电池室温H2/O2干气条件下的输出功率达到了研究的最高值19.3 mW cm^-2。为了解释造成此现象的原因，对电极微观结构和催化剂的聚集状态进行了扫描电子显微镜表征，但是结果表明催化层中纳米颗粒随着碱性电解质含量的增加而增大，与电池输出性能结果不一致。 

　　通过北京同步辐射装置（BSRF）4W1A-X射线成像实验站的Nano-CT表征获得了催化层中纯Ag/C纳米颗粒聚集状态的3D结构图。当催化层中碱性电解质含量过低时，Ag/C纳米颗粒倾向于团聚，使得催化剂的利用率降低；随着碱性电解质含量的增加，Ag/C纳米颗粒分散更加均匀，其平均粒径从10 %含量时的313nm降低到30%含量时210nm，这就解释了为什么20%含量碱性电解质电极比10%含量碱性电解质电极Ag纳米颗粒的电化学活性面积高。但是过高的碱性电解质含量使得催化剂颗粒被电解质包裹严重，导致催化剂颗粒看起来变大，与SEM表征中催化剂颗粒变大相一致，而此时电极转移电阻增加，催化剂电催化活性面积降低。 

　　这个研究解释了电解质的含量对双极膜燃料电池催化层电极结构和电池性能的影响。在这样研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组解释SEM表征中催化剂纳米颗粒随电解质含量增加和增大的原因，揭开了Ag/C聚集体在电极中分布的面纱。北京航空航天大学仿生能源与器件北京市重点实验室主任相艳教授这样描述他们的工作：“燃料电池作为一个封闭的装置，运行时就像一个黑盒子，很少有表征手段可以窥视电池内部的结构和运行状态。而更亮的同步辐射光束线准确清晰的解析出了电催化剂的微观聚集状态，为燃料电池的研究提供了一种清晰直观的可视化研究方式”。 

　　发表文章： 

　　Xin Xu1, Sikan Peng1, Shanfu Lu*, Jian Gong, Jin Zhang, Wanxia Huang, Yan Xiang*, Modulation of the microstructure of the Ag/C-based alkaline cathode via the ionomer content for a bipolar membrane fuel cell, Journal of Power Sources 354 (2017) 92-99.