質(zhì)子交換膜燃料電池CCM冰點(diǎn)以下低溫特性的研究.pdf

1、由質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)及兩側(cè)涂覆的催化層(CatalystLayers，CL)三部分組成的膜電極(Catalyst Coated Membrane，CCM)是質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的核心部件。CCM的性能直接決定燃料電池的性能，而且對(duì)降低生產(chǎn)成本、提高比功率，加快商業(yè)化進(jìn)程均至關(guān)重要。質(zhì)子交換膜燃料電池在零度

2、以下溫度環(huán)境中的環(huán)境適應(yīng)性和低溫耐久性是商業(yè)化進(jìn)程中的一大關(guān)鍵性問(wèn)題，也是當(dāng)前燃料電池研究中一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的前沿方向。本論文擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)本研究室所生產(chǎn)的核心組件CCM的低溫特性進(jìn)行研究和評(píng)估。 質(zhì)子交換膜是PEMFCs的核心功能部分，又是燃料電池水環(huán)境的主要寄存場(chǎng)所，低溫下膜中水形態(tài)是一個(gè)首先需要回答的問(wèn)題。有鑒于此，論文采用差熱分析與飽和鹽水溶液定點(diǎn)濕度法結(jié)合，研究考察了低溫下膜中水形態(tài)。目前，燃料電池的低溫行為和低溫耐久性已

3、經(jīng)成為PEMFC研究的熱點(diǎn)。成本和耐久性方面的技術(shù)進(jìn)步使燃料電池處于產(chǎn)業(yè)化的邊緣，燃料電池的冷啟動(dòng)問(wèn)題因而變得更加突出，燃料電池的低溫啟動(dòng)、低溫性能和低溫對(duì)電池耐久性的影響也吸引了越來(lái)越多研究者的研究興趣。因而，燃料電池的低溫特性成為產(chǎn)業(yè)化路途上冷啟動(dòng)能力和低溫耐久性研究的重要內(nèi)容。 論文通過(guò)冷凍/解凍循環(huán)實(shí)驗(yàn)考察了燃料電池組件膜、CCM的低溫失效行為，并對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了初步探討；通過(guò)單電池Freeze/Thaw循環(huán)對(duì)比實(shí)驗(yàn)考察

4、了燃料電池CCM的低溫行為和性能衰降；基于電化學(xué)工作站，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)燃料電池用CCM在Freeze/Thaw循環(huán)前后的性能進(jìn)行了考察和評(píng)價(jià)；通過(guò)對(duì)CCM極化曲線、交流阻抗、循環(huán)伏安特性曲線、電化學(xué)阻抗和氫氣滲透率變化的測(cè)試，完成了對(duì)CCM的電化學(xué)特性表征；通過(guò)掃描電鏡和圖像分析，對(duì)組件表面形貌的變化進(jìn)行了表征。 通過(guò)上述研究方法，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和主要結(jié)論如下： (1)采用摩爾含水量討論了膜中水的凍結(jié)行為。不可凍結(jié)水摩爾含水

5、量λ<,2>基本穩(wěn)定在4～5之間，導(dǎo)致膜中水凍結(jié)溫度發(fā)生變化的是可凍結(jié)水摩爾含水量λ<,1>。隨著含水量的增大，膜中水的凍結(jié)溫度均升高。在-25℃≤t≤0℃范圍內(nèi)，膜中可凍結(jié)水含量與凍結(jié)溫度遵循線性關(guān)系。相同水含量條件下的凍結(jié)溫度數(shù)據(jù)表明，復(fù)合膜比Nafion系列膜具有更加優(yōu)秀的凍結(jié)本性。 (2)局部溶脹與應(yīng)力集中連同冰棱、冰晶穿刺作用可能是低溫膜失效的根源。氫氣滲透率測(cè)試結(jié)果表明，膜的微結(jié)構(gòu)基本沒有變化，導(dǎo)致電池性能衰減的可能

6、性不大。 (3)合理的除濕策略對(duì)于維持電池完整長(zhǎng)期性能非常重要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷除濕、熱除濕兩種除濕方案只要選取的參數(shù)合理，都能達(dá)到防凍的目的。從活化與否和電池性能重現(xiàn)性的角度講，冷除濕優(yōu)于熱除濕。 (4)通過(guò)單電池性能測(cè)試與循環(huán)伏安測(cè)試，單電池低溫性能衰減的潛在原因歸結(jié)為：低電流密度下，電化學(xué)活性面積減少是影響電池性能衰減的主要原因；高電流密度下，擴(kuò)散層傳質(zhì)特性以及CCM/GDL界面耦合(電氣)特性是主要原因。在線交流