質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)進(jìn)入了準(zhǔn)商業(yè)化階段,但是耐久性,成本和性能依舊是制約其進(jìn)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(méi)有達(dá)到商業(yè)化使用要求,因此耐久性依然是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池耐久性問(wèn)題,研究了極化曲線擬合理論,進(jìn)而研究了單電池和電堆的耐久性,同時(shí)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(shí)驗(yàn)前后的變化。此外,本文還研究分析了反極對(duì)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(guò)電位、歐姆過(guò)電位和質(zhì)量傳輸過(guò)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(cè)試條件下,質(zhì)量傳輸過(guò)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(shí)的耐久性實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(kāi)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(lài)電勢(shì),反極結(jié)束電壓越低,對(duì)電池的破壞越大;(3)陽(yáng)極催化層中添加水電解催化劑(OER)IrO_2可以明顯地延長(zhǎng)水電解平臺(tái)時(shí)間,這具有極其重要的實(shí)踐價(jià)值;(4)但是IrO_2穩(wěn)定性不太好,再次發(fā)生反極時(shí),水電解平臺(tái)時(shí)間相比沒(méi)有添加IrO_2的并沒(méi)有明顯的延長(zhǎng)。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TM911.4
【部分圖文】：

探明的煤炭?jī)?chǔ)量可供開(kāi)采 112 年，世界石油總儲(chǔ)量還可供 40 年，世界天然氣可開(kāi)采儲(chǔ)量可以用 60 年，即化石能源遲早有一天會(huì)消耗殆盡；第二，化石能源的使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)，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(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)損失已超過(guò) 5 萬(wàn)億美元，而且這個(gè)數(shù)據(jù)還在持續(xù)上升[1]。早在上個(gè)世紀(jì) 70 年代，美國(guó)有關(guān)部門(mén)就建議采用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，來(lái)解決上述存在關(guān)聯(lián)的兩大全球問(wèn)題。自那以后的四五十年間，世界各地的研究機(jī)構(gòu)和高校投入了大量的人力物力到氫能這個(gè)領(lǐng)域，以推動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)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(wú)污染等。最重要的是可以通過(guò)電化學(xué)的方法，利用燃料電池將儲(chǔ)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(jī)和火力發(fā)電高得多。正因?yàn)槿绱�，氫燃料電池受到了很多汽�?chē)制造商的青睞，希望用氫燃料電池汽車(chē)代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。氫燃料電池汽車(chē)和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，有兩大特點(diǎn)：第一，無(wú)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(lèi)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(gè)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(yáng)之間，陰陽(yáng)催化層的另外一面各自比鄰一層氣體擴(kuò)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�，另一方面將電池中到流道了，以便于傳輸。為了滿(mǎn)足大功率輸出的要求，通常將多個(gè)極板（BP）串聯(lián)以來(lái)組成電池組，或稱(chēng)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(lái)對(duì)電堆因?yàn)殡p極板的一面做陽(yáng)極，另一面做陰極，有兩種極性，故而得其。

燃料電池的陽(yáng)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(dòng)力學(xué)相對(duì)較快，即使有電流發(fā)生很大的變化。因此陽(yáng)極可同時(shí)作為參比電極和對(duì) Pt 的電化學(xué)活性面積（ECSA）。ECSA 通常代表著性位點(diǎn)可以用來(lái)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（例如 ORR）[28-30]。或者催化層的活性越好。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2847084