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质子交换膜燃料电池反极现象研究

华周发  
【摘要】:论文采用交流阻抗法模拟电池反极机理,并首次采用串联蓄电池法利用单电池测试系统模拟电堆中某单池反极的现象,得到了质子交换膜燃料电池电堆水淹电极引起反极以及气体化学计量比不足时引起反极时对燃料电池电催化剂的伤害和影响,实验得出,由于电化学过程占主要影响因素,反极后开路电压没有变化,反极对质子交换膜的降解几乎可以忽略,但是对电催化剂的性能有致命伤害。 论文通过分析质子交换膜燃料电池传导机理和反极机理,依据电堆模型,首次通过模拟电路设计研究分析水淹电极和气体不足这两种典型的反极现象。通过新型流场设计,对防范水淹电极作了深入研究,比较了液态水存在的量对燃料电池发电性能及电化学性能进行研究,进一步证明了液态水对燃料电池极限电流的影响。通过对反极后催化剂和CCM的测试分析,进一步发现反极对质子交换膜的伤害极其微弱,但是电催化剂的粒径显著增大,催化活性面积减少。该研究对深入理解燃料电池机理和电催化剂的失效防护有重要启发。研究同时发现: (1) 由于阴极液态水的存在引起局部反极,对燃料电池性能存在负面影响。尤其表现在大电流时,生成液态水越来越多,同时需要扩散的反应气体的量却越来越大在气相和电解质界面,阴极液态水存在增大了氧气传质阻力,由于氧气在水中溶解度极小,故液态水存在严重组胺反映气体传质,降低燃料电池的电化学性能;水淹电极主要发生在阴极侧,对电池阳极影响较小。而且反极后排掉液态水后电池性能无太大变化,甚至在短时间内性能有所上升,即此时对电催化剂影响较小。 (2) 燃料电池流场设计可以在某种程度上减少或者避免水淹电极的发生,综合叙述了流场设计应该注意的原则以及现有的设计优缺点,提出一种新型的流场设计。经实验和模拟分析,对排除流场中液态水有独特效果。 (3) 气体不足引起反极是燃料电池研究者需要极力避免发生的,因为在燃料或者氧化剂不足时,对电催化剂将造成永久的不可恢复的伤害,由SEM,


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