RuO_2·xH_2O促进质子交换膜燃料电池动态响应的研究

【摘要】： 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有操作温度低、能量密度高、无污染、启动速度快等特点，有望成为未来移动动力源。但是，由于PEMFC输出电能是由电化学反应、气体传递、质子传递和电子传导等过程串联的，气体和质子传递速度远低于电子传导速度，大电流瞬间加载时，电池会因为欠气而造成输出电压骤降至零甚至反极，严重影响电池寿命，因而对提高PEMFC动态响应的研究具有广阔的前景。 RuO_2·xH_2O是一种功率密度高、制备工艺简单的超级电容器材料。本文通过把RuO_2·xH_2O喷涂在催化层表面和Nafion膜在RuO_2·xH_2O溶胶中浸渍提拉两种方法把超级电容器材料RuO_2·xH_2O加入到PEMFC的膜电极中，来解决PEMFC动态响应问题。 文中通过循环伏安曲线和恒流充放电实验确定了在催化层表面喷涂RuO_2·xH_2O层的最佳用量，即当铂钌质量比为1：1时，RuO_2·xH_2O的加入既不影响催化层中Pt的活性，又能获得273．9 F／g的电容值：通过多电位阶跃计时电流曲线可以看出，RuO_2·xH_2O的加入对电压动态阶跃时的响应电流起到了缓冲作用；对催化层表面喷涂RuO_2·xH_2O的电极进行的单电池稳态性能测试和动态响应性能测试证明了RuO_2·xH_2O的加入并没有影响电池的稳态性能，又提高了电池的动态响应。 文中对载RuO_2·xH_2O膜进行了超深度显微镜的表面观察和能谱分析，证实了RuO_2·xH_2O的载入及RuO_2·xH_2O在膜表面分散的均匀性；对载RuO_2·xH_2O膜电极的交流阻抗测试结果表明：RuO_2·xH_2O的载入不仅使反应电阻降低8Ω而且膜电阻也降低0．1Ω；经过寿命测试后，载RuO_2·xH_2O膜电极的电化学表面积只降低了不到10％，而未载RuO_2·xH_2O膜电极的电化学表面积却降低了将近30％；通过载RuO_2·xH_2O膜电极的循环伏安测试和单电池稳态性能测试表明，在膜上载入RuO_2·xH_2O也没有影响电池的稳态性能；从载RuO_2·xH_2O膜电极的的多电位阶跃测试和单电池动态响应测试结果可以看出：RuO_2·xH_2O可以缓冲突变电流，缓解单电池突然加载而造成的欠气现象，缓冲电池电压突然大幅度降低的现象。