質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)進入了準商業(yè)化階段,但是耐久性,成本和性能依舊是制約其進一步發(fā)展的三大主要障礙。就耐久性而言,目前燃料電池的壽命還沒有達到商業(yè)化使用要求,因此耐久性依然是研究的熱點和難點。本文針對質(zhì)子交換膜燃料電池耐久性問題,研究了極化曲線擬合理論,進而研究了單電池和電堆的耐久性,同時利用電化學(xué)和結(jié)構(gòu)分析方法研究分析了單電池膜電極在耐久性實驗前后的變化。此外,本文還研究分析了反極對質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極耐久性的影響,得出以下結(jié)論:1、推導(dǎo)出了較為合理的極化曲線擬合公式,利用該公式解析出了電池的活化過電位、歐姆過電位和質(zhì)量傳輸過電位;2、利用極化曲線擬合的方法研究分析了高背壓下單電池的耐久性情況和工況條件金屬雙極板短堆的耐久性情況,發(fā)現(xiàn):在這兩種測試條件下,質(zhì)量傳輸過電位的增加都是導(dǎo)致電池性能衰退的主要原因;3、金屬雙極板短堆堆在1600小時的耐久性實驗后,其性能和電壓均一性都有明顯的下降,而且第一片電池性能下降最為明顯。研究還發(fā)現(xiàn)電堆的開路電壓有較為明顯的下降(約22mV),這可能是由于使用的工況中怠速部分的比例較高,加速了質(zhì)子交換膜的降解,從而降低了開路電壓(OCV);4、本文利用單電池模擬電堆中缺氫氣而造成的反極現(xiàn)象,研究發(fā)現(xiàn):(1)反極發(fā)生后,電池性能明顯變差,具體表現(xiàn)在同等電流密度下電池的輸出電壓明顯降低,電池內(nèi)阻明顯增大;(2)炭腐蝕是反極引起電池性能下降的主要原因,并且炭腐蝕反應(yīng)速率極其依賴電勢,反極結(jié)束電壓越低,對電池的破壞越大;(3)陽極催化層中添加水電解催化劑(OER)IrO_2可以明顯地延長水電解平臺時間,這具有極其重要的實踐價值;(4)但是IrO_2穩(wěn)定性不太好,再次發(fā)生反極時,水電解平臺時間相比沒有添加IrO_2的并沒有明顯的延長。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM911.4
【部分圖文】：

探明的煤炭儲量可供開采 112 年，世界石油總儲量還可供 40 年，世界天然氣可開采儲量可以用 60 年，即化石能源遲早有一天會消耗殆盡；第二，化石能源的使用導(dǎo)致了嚴重的環(huán)境危機，例如溫室效應(yīng)、兩極冰川融化、酸雨、臭氧空洞等等。同樣有數(shù)據(jù)表明：全球范圍環(huán)境污染問題造成的經(jīng)濟損失已超過 5 萬億美元，而且這個數(shù)據(jù)還在持續(xù)上升[1]。早在上個世紀 70 年代，美國有關(guān)部門就建議采用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，來解決上述存在關(guān)聯(lián)的兩大全球問題。自那以后的四五十年間，世界各地的研究機構(gòu)和高校投入了大量的人力物力到氫能這個領(lǐng)域，以推動氫能經(jīng)濟的全面形成[2, 3]。氫是一種理想的能量載體，擁有十分優(yōu)異的性能，例如質(zhì)量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染等。最重要的是可以通過電化學(xué)的方法，利用燃料電池將儲存在氫氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)換效率要比內(nèi)燃機和火力發(fā)電高得多。正因為如此，氫燃料電池受到了很多汽車制造商的青睞，希望用氫燃料電池汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機汽車。氫燃料電池汽車和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相比，有兩大特點：第一，無污染，第二，能量轉(zhuǎn)換效率高。

圖 1-2 質(zhì)子交換膜燃料電池示意圖Fig.1-2 Schematic of a PEM fuel cell子交換膜燃料電池與其它種類燃料電池最大的區(qū)別在于電解質(zhì)是PEM），這也就限制住了其使用溫度[8, 9]。圖 1-2 是一個典型的質(zhì)電池示意圖，質(zhì)子交換膜燃料電池通常是將質(zhì)子交換膜置于陰陽之間，陰陽催化層的另外一面各自比鄰一層氣體擴散層（GDL）面：一面通常由碳紙（GDB）構(gòu)成，這面緊挨著流道；另外一面是聚四氟乙烯溶液粘結(jié)而成，這面緊挨著催化層。GDL 主要起導(dǎo)氣一方面要將外界提供的氣體均勻傳輸?shù)酱呋瘜樱硪环矫鎸㈦姵刂械搅鞯懒�，以便于傳輸。為了滿足大功率輸出的要求，通常將多個極板（BP）串聯(lián)以來組成電池組，或稱之為電堆。雙極板兩面刻有輸氣體和排除多余的水分，雙極板中間有冷卻水通道，用來對電堆因為雙極板的一面做陽極，另一面做陰極，有兩種極性，故而得其。

燃料電池的陽極側(cè)通入加濕的氫氣，并是參比電極。陰極側(cè)則通入加濕的 N2或者 N2和 CO工作電極。由于 HOR 動力學(xué)相對較快，即使有電流發(fā)生很大的變化。因此陽極可同時作為參比電極和對 Pt 的電化學(xué)活性面積（ECSA）。ECSA 通常代表著性位點可以用來發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（例如 ORR）[28-30]�；蛘叽呋瘜拥幕钚栽胶�。
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本文編號：2847084