基于红外成像的PEMFC氢氧混合催化燃烧对MEA安全性影响

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种零污染、高能效的电源具有广泛的应用前景。但在实际燃料系统的研发过程中，燃料电池系统启停时存在氢氧界面，膜电极(MEA)局部缺陷、系统故障等都可能使得氢氧混合气体直接接触MEA。这些情形下除产生电化学问题外，还发生最简单的催化燃烧，也可能影响MEA电性能及安全性问题，对氢氧燃料电池更是如此。
　　本文基于红外成像技术，通过模拟燃料电池电堆的启停过程、MEA局部缺陷、系统故障等导致氢氧混合和MEA接触，探究了若干条件下催化燃烧下对MEA温度变化及性能的影响。结果如下:
　　(1) PEM燃料电池在启动与停机时产生的氢氧界面会发生催化燃烧。
　　(2)氢氧界面上发生的催化燃烧前沿随反应气体的扩散而扩展，同时导致MEA温度有所上升，温升幅度受参入反应气体的量的影响，相同条件下停机和启动状态相比，前者存在的氢氧界面导致的MEA温升高于后者。
　　(3)随着氢气流量由20ml/min增加至120ml/min，催化反应燃烧前沿扩展加快，但MEA温升变化不大，在8.5℃左右;电池温度由室温增加至60℃，氢氧界面反应导致的MEA温升增加;氢气湿度由100％降低至40％时，氢氧界面反应导致的MEA温升也增加。
　　并且对MEA典型的局部缺陷包括膜出现针孔、扩散层裂纹及脱落，以及在系统发生某些故障时，可能使得氢气与空气有较大量的混合。并对MEA上催化燃烧情况进行了实验研究。结果如下:
　　(1) MEA扩散层局部脱落使得催化层直接接触氢空气体，温升约8-10℃，有助于催化燃烧，但影响不是非常明显。
　　(2) MEA存在针孔时氢空气体直接泄漏到另一侧，产生持续的催化燃烧，温升高至约70℃，通过MEAⅤ-Ⅰ性能测试和循环伏安扫描测试，催化燃烧带来的高温改变了催化层活性面积和微观结构，既影响电池性能，也影响电池安全。
　　(3)在氢空或氢氧反应气体混合后直接和MEA接触的情况下，极容易产生高温，特别是与空气反应时，温度累积至395℃极容易产生高温，达到活性炭燃点，而与氧气反应直接产生明火燃烧，改变催化层活性面积和微观结构，严重影响电池安全，也影响电池性能。
　　正常状态下氢氧界面催化燃烧反应导致的MEA温升，不会立即对MEA安全性及性能产生影响。但在膜电极出现缺陷和系统出现故障时，某些情况下会严重影响电池安全，也影响电池性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 质子交换膜燃料电池

1．1．2 质子交换膜燃料电池电池结构

1．1．3 质子交换膜燃料电池的工作原理

1．1．4 质子交换膜燃料电池电堆

1．1．5 燃料电池系统的安全性

1．2 文献综述

1．2．1 燃料电池寿命研究

1．2．2 高温对燃料电池性能的影响

1．2．3 氢气与氧气在Pt催化下的反应的研究

1．3 选题目的和本文工作

1．3．1 选题目的

1．3．2 本文工作

1．4 本章小结

第2章 测试半电池结构、测试系统设计与实验方法

2．1 Pt／C催化燃烧机理

2．1．1 氢气与空气在Pt／C表面上的催化反应

2．1．2 氢气与空气在Pt／C表面上的催化反应速率方程

2．1．3 活性炭在不同Pt载量的催化下的燃点

2．2 测试用半电池要求

2．3 半电池各组成部件结构设计

2．3．1 端板

2．3．2 观测网

2．3．3 MEA

2．3．4 流场板

2．3．5 硅胶密封圈

2．4 半电池的组装

2．5 实验系统

2．5．1 气体流量控制装置

2．5．2 气体加湿装置

2．5．3 温度监测装置

2．5．4 循环伏安电化学分析设备

2．5．5 MEA电性能测试设备

2．6 实验方法

2．7 红外测温仪测试温度的校正

2．8 本章小结

第3章 操作条件对MEA催化层上氢空反应温度的影响

3．1 MEA氢氧催化燃烧发热量及温升估算

3．1．1 启停机时

3．1．2 氢氧混合催化燃烧

3．2 氢气流量的影响

3．2．1 反应气体在MEA上的扩散

3．2．2 氢气流量对温升的影响

3．3 电池温度的影响

3．4 氢气湿度的影响

3．5 MEA氢氧界面催化燃烧对其性能的影响

3．6 本章小结

第4章 膜电极局部缺陷／系统故障导致MEA上存在大量氢氧混合催化燃烧试验

4．1 膜电极不同缺陷时氢氧混合催化反应

4．1．1 MEA穿孔

4．1．2 MEA扩散层局部脱落

4．1．3 MEA扩散层局部脱落并带针孔

4．2 系统故障导致MEA上存在大量氢空混合气体

4．2．1 氢空混合

4．2．2 氢氧混合

4．3 性能表征

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目