质子交换膜燃料电池耐久性及反极研究

发布时间：2020-10-19 10:25

　　 质子交换膜燃料电池已经进入了准商业化阶段,但是耐久性,成本和性能依旧是制约其进一步发展的三大主要障碍。就耐久性而言,目前燃料电池的寿命还没有达到商业化使用要求,因此耐久性依然是研究的热点和难点。本文针对质子交换膜燃料电池耐久性问题,研究了极化曲线拟合理论,进而研究了单电池和电堆的耐久性,同时利用电化学和结构分析方法研究分析了单电池膜电极在耐久性实验前后的变化。此外,本文还研究分析了反极对质子交换膜燃料电池膜电极耐久性的影响,得出以下结论:1、推导出了较为合理的极化曲线拟合公式,利用该公式解析出了电池的活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位;2、利用极化曲线拟合的方法研究分析了高背压下单电池的耐久性情况和工况条件金属双极板短堆的耐久性情况,发现:在这两种测试条件下,质量传输过电位的增加都是导致电池性能衰退的主要原因;3、金属双极板短堆堆在1600小时的耐久性实验后,其性能和电压均一性都有明显的下降,而且第一片电池性能下降最为明显。研究还发现电堆的开路电压有较为明显的下降(约22mV),这可能是由于使用的工况中怠速部分的比例较高,加速了质子交换膜的降解,从而降低了开路电压(OCV);4、本文利用单电池模拟电堆中缺氢气而造成的反极现象,研究发现:(1)反极发生后,电池性能明显变差,具体表现在同等电流密度下电池的输出电压明显降低,电池内阻明显增大;(2)炭腐蚀是反极引起电池性能下降的主要原因,并且炭腐蚀反应速率极其依赖电势,反极结束电压越低,对电池的破坏越大;(3)阳极催化层中添加水电解催化剂(OER)IrO_2可以明显地延长水电解平台时间,这具有极其重要的实践价值;(4)但是IrO_2稳定性不太好,再次发生反极时,水电解平台时间相比没有添加IrO_2的并没有明显的延长。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.4
【部分图文】：

探明的煤炭储量可供开采 112 年，世界石油总储量还可供 40 年，世界天然气可开采储量可以用 60 年，即化石能源迟早有一天会消耗殆尽；第二，化石能源的使用导致了严重的环境危机，例如温室效应、两极冰川融化、酸雨、臭氧空洞等等。同样有数据表明：全球范围环境污染问题造成的经济损失已超过 5 万亿美元，而且这个数据还在持续上升[1]。早在上个世纪 70 年代，美国有关部门就建议采用氢能代替传统的化石能源，来解决上述存在关联的两大全球问题。自那以后的四五十年间，世界各地的研究机构和高校投入了大量的人力物力到氢能这个领域，以推动氢能经济的全面形成[2, 3]。氢是一种理想的能量载体，拥有十分优异的性能，例如质量轻、能量转换效率高、无污染等。最重要的是可以通过电化学的方法，利用燃料电池将储存在氢气中的化学能转化为电能，其转换效率要比内燃机和火力发电高得多。正因为如此，氢燃料电池受到了很多汽车制造商的青睐，希望用氢燃料电池汽车代替传统内燃机汽车。氢燃料电池汽车和传统的内燃机汽车相比，有两大特点：第一，无污染，第二，能量转换效率高。

图 1-2 质子交换膜燃料电池示意图Fig.1-2 Schematic of a PEM fuel cell子交换膜燃料电池与其它种类燃料电池最大的区别在于电解质是PEM），这也就限制住了其使用温度[8, 9]。图 1-2 是一个典型的质电池示意图，质子交换膜燃料电池通常是将质子交换膜置于阴阳之间，阴阳催化层的另外一面各自比邻一层气体扩散层（GDL）面：一面通常由碳纸（GDB）构成，这面紧挨着流道；另外一面是聚四氟乙烯溶液粘结而成，这面紧挨着催化层。GDL 主要起导气一方面要将外界提供的气体均匀传输到催化层，另一方面将电池中到流道了，以便于传输。为了满足大功率输出的要求，通常将多个极板（BP）串联以来组成电池组，或称之为电堆。双极板两面刻有输气体和排除多余的水分，双极板中间有冷却水通道，用来对电堆因为双极板的一面做阳极，另一面做阴极，有两种极性，故而得其。

燃料电池的阳极侧通入加湿的氢气，并是参比电极。阴极侧则通入加湿的 N2或者 N2和 CO工作电极。由于 HOR 动力学相对较快，即使有电流发生很大的变化。因此阳极可同时作为参比电极和对 Pt 的电化学活性面积（ECSA）。ECSA 通常代表着性位点可以用来发生电化学反应（例如 ORR）[28-30]。或者催化层的活性越好。
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本文编号：2847084