质子交换膜燃料电池耐久性及反极研究

摘要

质子交换膜燃料电池已经进入了准商业化阶段，但是耐久性，成本和性能依旧是制约其进一步发展的三大主要障碍。就耐久性而言，目前燃料电池的寿命还没有达到商业化使用要求，因此耐久性依然是研究的热点和难点。 本文针对质子交换膜燃料电池耐久性问题，研究了极化曲线拟合理论，进而研究了单电池和电堆的耐久性，同时利用电化学和结构分析方法研究分析了单电池膜电极在耐久性实验前后的变化。此外，本文还研究分析了反极对质子交换膜燃料电池膜电极耐久性的影响，得出以下结论： 1、推导出了较为合理的极化曲线拟合公式，利用该公式解析出了电池的活化过电位、欧姆过电位和质量传输过电位； 2、利用极化曲线拟合的方法研究分析了高背压下单电池的耐久性情况和工况条件金属双极板短堆的耐久性情况，发现：在这两种测试条件下，质量传输过电位的增加都是导致电池性能衰退的主要原因； 3、金属双极板短堆堆在1600小时的耐久性实验后，其性能和电压均一性都有明显的下降，而且第一片电池性能下降最为明显。研究还发现电堆的开路电压有较为明显的下降（约22mV），这可能是由于使用的工况中怠速部分的比例较高，加速了质子交换膜的降解，从而降低了开路电压（OCV）； 4、本文利用单电池模拟电堆中缺氢气而造成的反极现象，研究发现： （1）反极发生后，电池性能明显变差，具体表现在同等电流密度下电池的输出电压明显降低，电池内阻明显增大； （2）炭腐蚀是反极引起电池性能下降的主要原因，并且炭腐蚀反应速率极其依赖电势，反极结束电压越低，对电池的破坏越大； （3）阳极催化层中添加水电解催化剂（OER）IrO2可以明显地延长水电解平台时间，这具有极其重要的实践价值； （4）但是IrO2稳定性不太好，再次发生反极时，水电解平台时间相比没有添加IrO2的并没有明显的延长。

目录

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第1章 绪论

1.1 质子交换膜燃料电池概述

1.2 质子交换膜燃料电池工作原理简介

1.3 质子交换膜燃料电池耐久性简介

1.3.1 质子交换膜的耐久性

1.3.2 催化层的耐久性

1.3.3 气体扩散层的耐久性

1.4 质子交换膜燃料电池电化学测试简介

1.4.1 循环伏安法（CV）

1.4.2 线性伏安法（LSV）

1.4.3 交流阻抗法（EIS）

1.5 论文选题目的和拟解决的问题

第2章 极化曲线拟合理论

2.1 前言

2.2 实际输出电压

2.3 热力学电压

2.4 活化过电势

2.5 催化层中的质子传导

2.6质量传输过电位

2.7 欧姆过电位

2.8 极化曲线拟合

2.9 本章小结

第3章 极化曲线拟合在单电池耐久性研究中的应用

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1实验设备

3.2.2实验材料

3.2.2电化学测试条件

3.3 极化曲线拟合分析

3.4 本章小结

第4章 质子交换膜燃料电池膜电极耐久性分析

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1实验设备

4.2.2实验材料

4.2.3电化学测试条件

4.3 结果与讨论

4.3.1线性伏安（LSV）分析

4.3.2循环伏安（CV）分析

4.3.3交流阻抗（EIS）分析

4.4.4接触角分析

4.4.5 透射电镜（TEM）分析

4.5.6 扫描电子显微镜（SEM）分析

3.5 本章小结

第5章 金属双极板短堆耐久性研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1实验设备

5.2.2实验材料

5.2.3电化学测试条件

5.3 结果和讨论

5.3.1电堆电压均一性分析

5.3.2极化曲线拟合分析

5.3 本章小结

第6章 燃料电池中的反极现象研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1实验设备

6.2.2实验材料

6.2.3电化学测试条件

6.2.4反极实验

6.3 结果和讨论

6.3.1典型反极曲线分析

6.3.2反极对电池的破坏作用

6.3.3 IrO2对反极的影响

6.3.4 反极结束电压对反极的影响

6.4 本章小结

第7章 结论和展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士期间发表的论文和参加的项目情况