質(zhì)子交換膜燃料電池CCM冰點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)鍵性問題，也是當(dāng)前燃料電池研究中一個極具挑戰(zhàn)性的前沿方向。本論文擬通過實驗對本研究室所生產(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)境的主要寄存場所，低溫下膜中水形態(tài)是一個首先需要回答的問題。有鑒于此，論文采用差熱分析與飽和鹽水溶液定點濕度法結(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。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，燃料電池的冷啟動問題因而變得更加突出，燃料電池的低溫啟動、低溫性能和低溫對電池耐久性的影響也吸引了越來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)化路途上冷啟動能力和低溫耐久性研究的重要內(nèi)容。 論文通過冷凍/解凍循環(huán)實驗考察了燃料電池組件膜、CCM的低溫失效行為，并對相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了初步探討；通過單電池Freeze/Thaw循環(huán)對比實驗考察

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)計實驗對燃料電池用CCM在Freeze/Thaw循環(huán)前后的性能進(jìn)行了考察和評價；通過對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試，完成了對CCM的電化學(xué)特性表征；通過掃描電鏡和圖像分析，對組件表面形貌的變化進(jìn)行了表征。 通過上述研究方法，得出的實驗結(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)合理的除濕策略對于維持電池完整長期性能非常重要。實驗結(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)通過單電池性能測試與循環(huán)伏安測試，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