丰田：CCM热压温度和催化层氧传输阻力关系

通常，流道和气体扩散层内的氧传输阻力和气体绝压线性相关，可称之为 分子扩散阻力 。催化层氧传输阻力和气体压力无关，包括 努森扩散阻力 和 局部氧传输阻力 。催化层内部的催化层内纳米尺度孔隙构成努森扩散阻力部分(孔径 d 小于分子平均自由程 l ，如下图2示意)。由于催化层内树脂薄膜覆盖催化剂，氧气穿过树脂薄膜到达催化剂表面须克服一定阻力，称之为 局部氧传输阻力 ，包括树脂本体内传质阻力、Pt/树脂界面传输阻力。

图2 Knudsen扩散示意

氧气在树脂内传输涉及 氧气溶解 和 扩散 。 通过调控框架结构、结晶区域和界面结构等方法，高氧气渗透性的树脂可降低催化层氧传输阻力，已成功应用在商用化的燃料电池汽车上 。 由于吸水性和溶解性较好，低结晶度 (crystallinity) 的树脂通常表现出较低的氧气传输阻力，因此树脂结晶度也是评估树脂氧气透过能力的重要指标之一。本文分享丰田汽车关于CCM热压温度对催化层氧传质阻力影响的研究。 催化层氧传输阻力测定技术见以下链接。

从IR-free极化曲线可以看出， 高电密下 140℃热压温度的电压性能最高，极限电流密度也最大 。氧气传质阻力值 R tot 和气体绝压线 P abs 性相关，如下图3(C)所示。 曲线的斜率和纵坐标截距分别表示分子扩散阻力 R mole 和氧传质阻力 R other ，前者 R mole 指向GDL和流道，后者 R other 指向催化层氧传输阻力 。50 kPag压力下的分子扩散阻力 R mole 和催化层氧传输阻力 R other 如下图3(D)所示，可以看到不同热压温度后分子扩散阻力 R mole 基本维持在 26 ±2 s/m左右，并且 催化层氧传输阻力 R other 基本为分子扩散阻力 R mole 的4倍左右 。并且随着热压温度的升高，催化层氧传质阻力 R other 逐渐降低， 160℃热压温度时 R other 又上升 。140℃热压温度对应的催化层氧传质阻力 R other 最小，这也对应高电密下140℃热压温度的I-V性能最佳。

图3 热压温度对性能影响：(A)50 kPag下IR-free极化性能；(B)催化层质子传导电阻；(C)总氧气传质阻力；(D)50 kPag下分子扩散阻力 R mole 和催化层氧传质阻力 R other

表1 努森扩散阻力 R kn

-END-

合作请加微信：HydrogenPhd

觉得受益点赏↓↓↓