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[学位]

扩散介质结构对PEMFC阴极催化层水含量和电池性能的影响

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Author:

陈桂银 (陈桂银.)

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学位论文库

Abstract:

质子交换膜燃料电池中水含量及分布是影响电池性能、稳定性、耐久性以及电流分布均匀性的一个重要因素。水管理的目标是维持电池内有适量且分布均匀的水,既要使膜得到较好地水合,降低欧姆损失,又要避免电池中发生水淹,降低浓差损失,还要使电池内各处的水分布尽可能均匀,从而使电流和温度分布尽可能均匀,避免发生局部快速退化,使电池获得更长的寿命。阴极催化层是氧还原反应发生的场所同时又是水生成的位置,既需要一定的水提高其中的质子传导,提高氧还原反应动力学,又需要一定的水移除能力,避免发生反应点淹没,使反应气供给不足。因此,阴极催化层的水管理具有十分重要的意义。扩散介质(含气体扩散层和微孔层)的结构和性质对电池中的水分布和水管理有显著的影响。然而,受限于电池内水含量的诊断手段,其影响的研究目前多集中在扩散介质内和流道中,缺乏其对催化层水含量影响的实验表征。另一方面,目前的研究多为对电池整体性能影响的研究,缺少分布性能的表征。本文提出以双电层电容做为阴极催化层水含量指示值的方法,结合分布电流测试,系统研究了增加微孔层、气体扩散层打孔、微孔层表面裂纹对电池性能、电流分布、催化层水含量等的影响,探讨了电池内水管理最重要的位置,扩散介质结构改性对水传输的影响等。
当两种不同的电荷导体相接触时,两相界面上的电荷发生再分布,形成双电层,其关键参数称为双电层电容。不同于欧姆阻抗,双电层电容与质子交换膜的水合状态无关,因此可以将催化层的性质分离出来。本文提出了以双电层电容作为阴极催化层水含量指示值的观点。通过设计不同组成的阴极催化层,证实了双电层电容主要来源于催化层中铂和聚合物的界面,反映催化层的性质。给出了双电层电容和催化层中相对湿度的关系,发现双电层电容随着相对湿度的上升而上升,这是由于催化层中聚合物联通性改善引起铂和聚合物的界面有效面积增大和由于自由质子浓度上升引起单位界面面积双电层电容增大。通过改变电池中组件、工况参数、工作电流等,发现除催化层结构和组成外,其他参数对双电层电容均没有直接的影响,仅能通过改变催化层中的水含量产生间接的影响。因此,本文证实了以双电层电容作为阴极催化层水含量指示值的可行性。在实际运行的电池中,应用这一方法可以推算出阴极催化层中的相对湿度。
在以上工作的基础上,本文通过极化曲线、分布电流测量和交流阻抗谱技术,系统地研究了在不同工况下微孔层对电池整体性能、电流分布、双电层电容等的影响。研究发现微孔层的影响与温度和湿度有关,中低温高加湿或大电流下易发生水淹。在易发生水淹的状态下,微孔层有效地降低了催化层的水含量,减轻了催化层的水淹,因此显著改善了电池性能;在膜较干的状态下,微孔层呈现一定的保水作用,对电池性能略有改善。在高温或极端低加湿情况下,微孔层的影响微弱,可以忽略。通过电流分布,发现即使在同样的工况状态下,电池内不同位置的实际状态也不相同,微孔层的影响不同,但不同位置处的作用叠加后整体性能上可能看不出差异。
本文提出球磨法分散微孔层浆料,有效提高了浆料的分散均匀性及抗沉降能力。这一方法可以制备出高固含量的浆料,大大缓解了微孔层制备过程中渗入气体扩散层的问题。结合线棒涂布和超声喷涂,本文制备出低碳载量、平整无裂纹的微孔层。通过对气体扩散层进行打孔并在其上制备微孔层,本文分别在有、无微孔层条件下研究了气体扩散层打孔的影响,并以此区分限制电池性能的主要水淹位置。研究发现,在没有微孔层时,打孔能够降低催化层水含量,在湿工况下增大了电池的极限电流,但其影响不如增加微孔层显著。同时,由于通孔降低了扩散阻力,上游出现了膜脱水的现象,引起电流分布均匀性恶化。在有微孔层时,是否打孔影响较弱。因此,本文认为电池内水淹限制电池性能的主要位置是催化层而非气体扩散层,水管理更多的注意力应放在催化层。
本文研究了微孔层表面裂纹对催化层和微孔层界面水含量的影响。在平整无裂纹的微孔层表面,制造了两种尺寸的直线裂缝来模拟微孔层表面的裂纹,通过电池性能、电流分布及催化层中水含量等参数,研究了微孔层表面的裂纹及其尺寸对水传输的影响。研究表明,在微孔层表面,裂纹同时具有水传输通道和水积聚位置的作用,前者表现为微孔层有裂纹的电池极限电流密度上升,下游传质相对更好,后者表现为电池欧姆阻抗降低,催化层水含量升高。裂纹尺寸越小,水传输通道作用越明显。

Keyword:

催化层水含量 扩散介质 水管理 微孔层 质子交换膜燃料电池

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  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 陈学俊

Year: 2016

Language: Chinese

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