燃料電池水管理層的耐久性加速實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、氣體擴(kuò)散層(GDL)是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的核心組件膜電極組件(MEA)的重要組成部分，主要起到支撐催化層，電子通道及水熱平衡管理的作用。而MPL作為GDL一個(gè)核心組成，其起到的主要功能就是調(diào)節(jié)水氣傳輸及分配。隨著人們把目光更多的投向冷啟動(dòng)性能和低壓空氣電堆的壽命，GDL的氣體傳輸和分配作用以及其耐久性就凸顯出重要的地位。研究MPL的耐久性就是研究在實(shí)際的長(zhǎng)時(shí)間的燃料電池運(yùn)行過(guò)程中MPL的特性，如厚度、孔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性、氣體滲

2、透性、接觸角和親/疏水性等的遷變。具備良好耐久性的MPL無(wú)疑將對(duì)燃料電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。因此研究MPL在加速條件下的耐久性，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)新型的MPL并以此開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命的燃料電池是必要也是重要的。 本論文采用離線加速實(shí)驗(yàn)?zāi)M電池運(yùn)行中引起的MPL的物理、化學(xué)以及電化學(xué)衰減行為，結(jié)合現(xiàn)代分析方法，掃面電鏡(SEM)、X射線衍射分析(XRD)、X光電子能譜分析(XPS)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、循環(huán)伏安測(cè)試(CV

3、)等，系統(tǒng)的研究了上述MPL特性的變化，并詳細(xì)分析了由此引起的對(duì)水氣傳輸、分配的影響和最終對(duì)電池性能衰減的影響。得到的主要結(jié)論如下： (1)化學(xué)加速耐久性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)15％H2O2，70℃條件下500小時(shí)加速后的MPL其可對(duì)電池性能造成了>10％的衰減，此MPL可被認(rèn)為失效。SEM、XRD、XPS、FTIR分析顯示MPL的失效主要表現(xiàn)在：碳粉顆粒和PTFE同時(shí)從MPL上發(fā)生脫落，但碳粉顆粒的脫落速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PTFE的脫落

4、速度；碳粉顆粒在強(qiáng)氧化氛圍下發(fā)生氧化和脫落，并伴有微孔溶脹，且表面的PTFE膜破裂，親水性增強(qiáng)，由此造成了MPL層厚度的減薄，In-plane電阻的增加，孔徑增大，氣體透過(guò)率增大，接觸角減小，從而引起了水氣分配的不均勻，增大電子傳質(zhì)電阻。 (2)電化學(xué)加速耐久性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在恒電勢(shì)1.2V vs.SCE下，在1M H2SO4電解質(zhì)中穩(wěn)定2h VulcanXC-72R表面發(fā)生明顯氧化，在恒電勢(shì)1.2V vs.SCE下，在1MH2

5、SO4電解質(zhì)中加速20小時(shí)后，CV顯示MPL就有氧的脫附峰出現(xiàn)，加速60h后的MPL會(huì)大幅削減電池性能。主要是由于MPL的碳粉顆粒表面在高電勢(shì)強(qiáng)酸環(huán)境下發(fā)生了氧化，導(dǎo)致電子傳質(zhì)受阻，且氣體透過(guò)率增大，影響了水、氣的平衡分配。 (3)機(jī)械加速耐久性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在外界壓力200psi，溫度140℃，持續(xù)時(shí)間30min，對(duì)MPL的破壞較為顯著。MPL的衰減行為主要是由于碳粉層在外界較大壓力下的致密化，破壞了“親/疏”水孔的比例與結(jié)構(gòu)，不利于