Electrochim. Acta：多孔電紡碳納米纖維網絡作為高溫聚合物電解質膜燃料電池的集成電

DOI:10.1016/j.electacta.2020.136192

高溫聚合物電解質膜燃料電池（HT-PEMFCs）使用磷酸浸漬的聚酰亞胺膜，由于較高的工作溫度，該膜可改善反應動力學，但會受到腐蝕性環境以及緩慢的氧傳輸和相關傳輸限制的困擾。在這項工作中，后一個問題是通過將氣體擴散層（GDL）集成到整個靜電紡絲概念中的氣體擴散電極（GDE）來解決的。為此，采用同軸靜電紡絲通過同時紡絲兩種互不相溶的聚合物溶液以形成核-殼結構。由于殼中的相分離和隨后的碳化處理（集成GDE@GDL），獲得了多孔碳氈結構。全電池測試（0.6 mgPt cm-2）表明，與噴涂參考樣品（1 mgPt cm-2）相比，歸一化為鉑含量的功率密度提高了21%。電化學阻抗譜（EIS）測量與弛豫時間分布（DRT）分析表明，GDE@GDL的形態有利于電極內部的氧傳輸。該研究的靜電紡絲概念成功地消除了質量運輸的局限性，所制備的GDE@GDL性能完全優于老式附加GDL片。

圖1：集成電極@氣體擴散層概念的示意圖設計。

圖2：基于相分離殼混合物和機械穩定芯的多孔碳納米纖維的制備過程。

圖3：（a）由PMMA、PAN和PVP層組成的電紡納米纖維的SEM圖像，（b）熱處理后高度多孔的納米纖維的SEM圖像，以及（c）納米纖維橫截面的FIB-SEM圖像。

圖4：（a）Pt沉積后CNF的TEM圖像，（b）Pt粒度分布和（c）GDE@GDL的X射線衍射圖。

圖5：（a）采用標準噴涂GDE（黑色）和電紡概念（藍色）的單電池極化曲線。 使用H2/Air（λ=1.8/2.0）進行操作，（b）燃料電池在200 mA cm-2下運行的DRT光譜。指出了傳質（MT）、氧還原反應（ORR）和高頻（HF）的區域。（c）單電池的電化學阻抗譜，取自200 mA cm-2。