發(fā)布時(shí)間：2017-09-26 06:38

  本文關(guān)鍵詞：車用燃料電池聚四氟乙烯增強(qiáng)膜電極的耐久性研究

  更多相關(guān)文章： 質(zhì)子交換膜燃料電池 耐久性 加速測試 催化劑降解 碳載體腐蝕 膜化學(xué)穩(wěn)定性

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池是一種直接將燃料和氧化物化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置,因其轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn),被認(rèn)為具有廣泛的應(yīng)用前景,可以用在車用動(dòng)力、便攜電源以及后備電源領(lǐng)域等。目前,制約質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化進(jìn)程的問題是成本和壽命。膜電極作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件,其耐久性嚴(yán)重影響質(zhì)子交換膜燃料電池的受用壽命。研究膜電極的耐久性及失效機(jī)制對于相關(guān)材料的研發(fā)和商業(yè)化具有指導(dǎo)意義,而加速壽命測試是研究膜電極的耐久性及失效機(jī)制最常用的手段。采用加速壽命測試,不僅可以縮減對燃料電池耐久性評價(jià)的周期,也有效地降低了評價(jià)成本。目前采用的加速測試手段主要依據(jù)美國能源部提出的四種標(biāo)準(zhǔn)加速測試工況,分別是針對電催化劑穩(wěn)定性的電勢循環(huán)、電催化劑載體穩(wěn)定性的高電位維持、膜電極化學(xué)穩(wěn)定性的開路保持以及膜電極機(jī)械穩(wěn)定性的干濕循環(huán)。目前,多數(shù)研究工作采用單個(gè)加速測試工況或者復(fù)合工況條件的形式,并結(jié)合車用工況如頻繁的變換負(fù)載、濕度和氣體供應(yīng)切換等特點(diǎn),進(jìn)行膜電極的耐久性評價(jià)及其失效機(jī)理的分析。本論文從PTFE膜電極的耐久性評價(jià)出發(fā),采用三種加速測試工況,即電勢循環(huán)、高電勢維持和開路電壓保持,分別考察了膜電極的電催化劑的穩(wěn)定性、電催化劑載體的穩(wěn)定性以及質(zhì)子交換膜的化學(xué)穩(wěn)定性。電勢維持實(shí)驗(yàn)表明,質(zhì)子交換膜燃料電池的電催化劑在電勢循環(huán)工況條件下會(huì)發(fā)生團(tuán)聚長大。此外,電催化劑還會(huì)發(fā)生溶解并被滲透的氫氣還原而產(chǎn)生鉑顆粒沉積在質(zhì)子交換膜中形成"鉑帶"。電催化劑的團(tuán)聚長大以及溶解再沉積導(dǎo)致催化劑電化學(xué)活性面積的下降,從而引起電池放電性能的下降和衰減。催化劑的溶解再沉積是具有時(shí)間依賴性的,在加速測試初期,催化劑的衰減應(yīng)主要來自團(tuán)聚和長大,隨著測試的進(jìn)行,鉑的溶解再沉積變得嚴(yán)重,成為鉑衰減不可忽略的因素。高電勢維持實(shí)驗(yàn)研究了電催化劑載體即碳載體的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)高電勢維持過程中,碳載體會(huì)發(fā)生腐蝕,產(chǎn)生CO氣體吸附在鉑催化劑上。碳載體的表面也會(huì)產(chǎn)生多種碳氧基團(tuán),這些表面基團(tuán)會(huì)增加碳載體的親水性,阻礙氣體滲透,降低氫滲透。碳載體的腐蝕會(huì)導(dǎo)致?lián)d在碳載體上的催化劑發(fā)生衰減,表現(xiàn)為催化劑的團(tuán)聚長大和剝落。在對質(zhì)子交換膜化學(xué)穩(wěn)定性的研究,我們主要采用開路電壓維持實(shí)驗(yàn)探究了質(zhì)子交換膜厚度的不同對于膜的化學(xué)降解以及催化劑衰減的影響。膜厚減小,氣體滲透增加,質(zhì)子交換膜的化學(xué)衰減越嚴(yán)重,氟離子濃度測試和SEM表征都表面了測試后膜發(fā)生了嚴(yán)重的化學(xué)降解。膜的化學(xué)降解主要是滲透到陰極側(cè)的氫氣在鉑催化劑的催化作用下與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成H202,隨后分解產(chǎn)生自由基·OH和·OOH等。自由基對膜分子鏈的支鏈或主鏈進(jìn)行攻擊,導(dǎo)致膜的降解。不同膜厚產(chǎn)生引起的不同氣體滲透對于催化劑的衰減也有不同的影響。氣體滲透越嚴(yán)重,會(huì)在陰極側(cè)與氧氣發(fā)生"燃燒"反應(yīng),產(chǎn)生"熱點(diǎn)",導(dǎo)致膜的局部溫度過高,加劇了鉑催化劑的團(tuán)聚和長大。測試后的鉑催化劑粒徑分布曲線說明,氫滲透越高,鉑催化劑的團(tuán)聚長大越嚴(yán)重,催化劑的粒徑分布越不均勻。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子交換膜燃料電池 耐久性 加速測試 催化劑降解 碳載體腐蝕 膜化學(xué)穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM911.4;TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-32
• 1.1 燃料電池概述12-18
• 1.1.1 燃料電池12-13
• 1.1.2 燃料電池分類13
• 1.1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池13-18
• 1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池耐久性研究18-29
• 1.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池基本性能評價(jià)18-20
• 1.2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極衰減機(jī)制概述20-26
• 1.2.3 質(zhì)子交換膜燃料電池壽命測試方法概述26-29
• 1.2.4 質(zhì)子交換膜均質(zhì)膜和聚四氟乙烯增強(qiáng)膜29
• 1.3 選題的意義和內(nèi)容29-32
• 第二章 碳載鉑催化劑衰減機(jī)理研究32-47
• 2.1 引言32
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分32-34
• 2.2.1 電極制備和電池組裝32-33
• 2.2.2 電池性能表征33-34
• 2.2.3 加速測試工況34
• 2.2.4 膜電極表征34
• 2.3 結(jié)果與討論34-46
• 2.3.1 電勢循環(huán)測試前后在線性能測試對比34-36
• 2.3.2 電勢循環(huán)測試前后鉑催化劑衰減分析36-37
• 2.3.3 電勢循環(huán)測試前后CCM微觀表征37-39
• 2.3.4 電勢循環(huán)測試過程鉑催化劑衰減機(jī)理39-40
• 2.3.5 電勢維持實(shí)驗(yàn)前后在線性能測試對比40-41
• 2.3.6 電勢維持實(shí)驗(yàn)前后CCM微觀表征41-43
• 2.3.7 電勢維持實(shí)驗(yàn)前后鉑催化劑衰減分析43-44
• 2.3.8 電勢維持實(shí)驗(yàn)前后碳載體腐蝕分析44-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 第三章 PTFE增強(qiáng)膜電極化學(xué)穩(wěn)定性研究47-62
• 3.1 引言47
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分47-50
• 3.2.1 電極制備和電池組裝47-48
• 3.2.2 電池的性能表征48-49
• 3.2.3 化學(xué)穩(wěn)定性測試加速工況49
• 3.2.4 膜電極表征49-50
• 3.3 結(jié)果與討論50-61
• 3.3.1 加速工況條件下膜電極在線測試性能對比50-53
• 3.3.2 電極陰極生成水氟離子濃度測試53-54
• 3.3.3 膜電極微觀形貌表征54-56
• 3.3.4 加速工況條件下碳載鉑催化劑的衰減分析56-59
• 3.3.5 加速測試工況條件下膜電極衰減機(jī)理59-61
• 3.4 本章小結(jié)61-62
• 結(jié)論與展望62-64
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和專利64-65
• 致謝65-66
• 參考文獻(xiàn)66-77

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