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質子交換膜燃料電池 (PEMFCs)其具有清潔高效、比功率高、啟動迅速、能夠連續供電等技術特點，為解決能源與環境問題具有重要戰略意義。PEMFCs在恒定輸出功率下運行一般是非常穩定的，但其在啟動/停止以及大電流等工作狀況會導致PEMFCs運行時出現局域燃料缺乏以及輸出延遲等現象，嚴重降低PEMFCs的性能和穩定性。在此期間陰極或者環境中滲入陽極的氧氣會在陰極產生氫氣-氧氣擴散邊界，使得陽極和陰極的電位同時升高，特別是陰極的電位甚至會高達1.5 --2.0V產生嚴重的碳腐蝕以及Pt納米催化劑溶解聚集現象，增加膜電極內阻，大幅度減小陰極催化層內催化劑電化學活性比表面積，甚至會導致PEMFCs停止工作。為了解決上述關鍵問題，團隊基于溫度匹配策略在高溫聚合物電解質膜燃料電池（HT-PEMFCs）陽極中設計了高效的把-氫氣緩沖層，氫氣能夠在燃料饑餓工況下釋放出來，有效提升燃料電池耐燃料饑餓和抗電流反轉的能力。

圖1. X射線光電子能譜儀（島津-KRATOS公司，AXIS SUPRA）

圖2.氫氣在Pd晶格中嵌入和脫出過程

通過原位XRD和TPD測試分析表明，氫原子在室溫氫氣環境下會自發進入Pd晶格間隙位點。隨著溫度的升高到106 ℃，Pd晶格間隙中亞表層的氫原子會逐漸釋放出來。這一釋放過程可以持續1小時左右。當溫度降低時，氫原子會重新進入Pd晶格間隙位置。

圖3.HT-PEMFCs耐燃料饑餓性能分析

通過在HT-PEMFCs催化層結構設計，發現Pd可以作為陽極氫氣緩沖層，在低溫時能自發儲存氫氣，而在HT-PEMFCs運行溫度下又能原位持續釋放氫氣1小時以上，是相同情況下Pt的37倍，有效提升燃料電池耐燃料饑餓性能。

圖4. 利用XPS分析耐燃料饑餓測試后電極材料價態結構的變化

進一步，團隊通過準原位XPS和XRD模擬實驗發現燃料饑餓后陽極催化層Pt的價態略有下降，而Pd價態升高，說明Pd吸收了燃料饑餓期間泄露到陽極的氧氣，而燃料饑餓后陰極催化層Pt價態基本不變，說明Pt在HT-PEMFCs工況以及O2氣氛中較難被進一步氧化。因此Pd可以作為HT-PEMFCs陽極氫氣緩沖層和氧氣吸收劑，提供額外的原位氫氣，并在燃料饑餓期間吸收滲透的氧氣，從而抑制陰極催化層降解，大幅度提升HT-PEMFCS在工況下的耐久性。

本文結合HT-PEMFCs工況特點，通過利用Pd金屬在不同溫度下的氫氣儲存/釋放特性，將Pd作為HT-PEMFCs陽極氫氣的“緩沖池”，構筑了Pd-H緩沖層膜電極，在燃料饑餓工況下為電池持續供氫，有效提升燃料電池抗電流反轉能力，大幅增強HT-PEMFC抗燃料饑餓性能和長時間穩定性。相關研究為設計開發燃料電池高性能膜電極具有重要意義。

文獻題目

《Durable High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells Enabled by the Working-Temperature-Matching Palladium-Hydrogen Buffer Layer》

使用儀器

島津AXIS SUPRA

作者

Gen Huang, Yingying Li, Li Tao*, Zhifeng Huang, Zhijie Kong, Chao Xie, Shiqian Du, Tehua Wang, Yujie Wu, Qie Liu, Dongcai Zhang, Jiaqi Lin, Miaoyu Li, Jun Wang,

Jin Zhang, Shanfu Lu, Yi Cheng, Shuangyin Wang*

State Key Laboratory of Chem/Bio-Sensingand Chemometrics, College of Chemistry and ChemicalEngineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, P.R. China;

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