车用燃料电池聚四氟乙烯增强膜电极的耐久性研究

发布时间：2017-09-26 06:38

  本文关键词：车用燃料电池聚四氟乙烯增强膜电极的耐久性研究

  更多相关文章： 质子交换膜燃料电池 耐久性 加速测试 催化剂降解 碳载体腐蚀 膜化学稳定性

【摘要】：质子交换膜燃料电池是一种直接将燃料和氧化物化学能转换成电能的装置,因其转换效率高、环境友好等特点,被认为具有广泛的应用前景,可以用在车用动力、便携电源以及后备电源领域等。目前,制约质子交换膜燃料电池商业化进程的问题是成本和寿命。膜电极作为质子交换膜燃料电池的核心部件,其耐久性严重影响质子交换膜燃料电池的受用寿命。研究膜电极的耐久性及失效机制对于相关材料的研发和商业化具有指导意义,而加速寿命测试是研究膜电极的耐久性及失效机制最常用的手段。采用加速寿命测试,不仅可以缩减对燃料电池耐久性评价的周期,也有效地降低了评价成本。目前采用的加速测试手段主要依据美国能源部提出的四种标准加速测试工况,分别是针对电催化剂稳定性的电势循环、电催化剂载体稳定性的高电位维持、膜电极化学稳定性的开路保持以及膜电极机械稳定性的干湿循环。目前,多数研究工作采用单个加速测试工况或者复合工况条件的形式,并结合车用工况如频繁的变换负载、湿度和气体供应切换等特点,进行膜电极的耐久性评价及其失效机理的分析。本论文从PTFE膜电极的耐久性评价出发,采用三种加速测试工况,即电势循环、高电势维持和开路电压保持,分别考察了膜电极的电催化剂的稳定性、电催化剂载体的稳定性以及质子交换膜的化学稳定性。电势维持实验表明,质子交换膜燃料电池的电催化剂在电势循环工况条件下会发生团聚长大。此外,电催化剂还会发生溶解并被渗透的氢气还原而产生铂颗粒沉积在质子交换膜中形成"铂带"。电催化剂的团聚长大以及溶解再沉积导致催化剂电化学活性面积的下降,从而引起电池放电性能的下降和衰减。催化剂的溶解再沉积是具有时间依赖性的,在加速测试初期,催化剂的衰减应主要来自团聚和长大,随着测试的进行,铂的溶解再沉积变得严重,成为铂衰减不可忽略的因素。高电势维持实验研究了电催化剂载体即碳载体的稳定性,发现高电势维持过程中,碳载体会发生腐蚀,产生CO气体吸附在铂催化剂上。碳载体的表面也会产生多种碳氧基团,这些表面基团会增加碳载体的亲水性,阻碍气体渗透,降低氢渗透。碳载体的腐蚀会导致担载在碳载体上的催化剂发生衰减,表现为催化剂的团聚长大和剥落。在对质子交换膜化学稳定性的研究,我们主要采用开路电压维持实验探究了质子交换膜厚度的不同对于膜的化学降解以及催化剂衰减的影响。膜厚减小,气体渗透增加,质子交换膜的化学衰减越严重,氟离子浓度测试和SEM表征都表面了测试后膜发生了严重的化学降解。膜的化学降解主要是渗透到阴极侧的氢气在铂催化剂的催化作用下与氧气发生反应生成H202,随后分解产生自由基·OH和·OOH等。自由基对膜分子链的支链或主链进行攻击,导致膜的降解。不同膜厚产生引起的不同气体渗透对于催化剂的衰减也有不同的影响。气体渗透越严重,会在阴极侧与氧气发生"燃烧"反应,产生"热点",导致膜的局部温度过高,加剧了铂催化剂的团聚和长大。测试后的铂催化剂粒径分布曲线说明,氢渗透越高,铂催化剂的团聚长大越严重,催化剂的粒径分布越不均匀。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 耐久性 加速测试 催化剂降解 碳载体腐蚀 膜化学稳定性
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 燃料电池概述12-18
• 1.1.1 燃料电池12-13
• 1.1.2 燃料电池分类13
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池13-18
• 1.2 质子交换膜燃料电池耐久性研究18-29
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池基本性能评价18-20
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池膜电极衰减机制概述20-26
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池寿命测试方法概述26-29
• 1.2.4 质子交换膜均质膜和聚四氟乙烯增强膜29
• 1.3 选题的意义和内容29-32
• 第二章 碳载铂催化剂衰减机理研究32-47
• 2.1 引言32
• 2.2 实验部分32-34
• 2.2.1 电极制备和电池组装32-33
• 2.2.2 电池性能表征33-34
• 2.2.3 加速测试工况34
• 2.2.4 膜电极表征34
• 2.3 结果与讨论34-46
• 2.3.1 电势循环测试前后在线性能测试对比34-36
• 2.3.2 电势循环测试前后铂催化剂衰减分析36-37
• 2.3.3 电势循环测试前后CCM微观表征37-39
• 2.3.4 电势循环测试过程铂催化剂衰减机理39-40
• 2.3.5 电势维持实验前后在线性能测试对比40-41
• 2.3.6 电势维持实验前后CCM微观表征41-43
• 2.3.7 电势维持实验前后铂催化剂衰减分析43-44
• 2.3.8 电势维持实验前后碳载体腐蚀分析44-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 PTFE增强膜电极化学稳定性研究47-62
• 3.1 引言47
• 3.2 实验部分47-50
• 3.2.1 电极制备和电池组装47-48
• 3.2.2 电池的性能表征48-49
• 3.2.3 化学稳定性测试加速工况49
• 3.2.4 膜电极表征49-50
• 3.3 结果与讨论50-61
• 3.3.1 加速工况条件下膜电极在线测试性能对比50-53
• 3.3.2 电极阴极生成水氟离子浓度测试53-54
• 3.3.3 膜电极微观形貌表征54-56
• 3.3.4 加速工况条件下碳载铂催化剂的衰减分析56-59
• 3.3.5 加速测试工况条件下膜电极衰减机理59-61
• 3.4 本章小结61-62
• 结论与展望62-64
• 攻读硕士期间发表的学术论文和专利64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-77

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本文编号：922025