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原子交换膜燃料电池电极耐久性的研究
摘 要
质子交换膜燃料电池(PEMFC )具有能量效率、能量密度高;没有液体电解质腐蚀;
可以低温快速启动和结构紧凑等特点。因此在电动汽车、地面发电站、水下潜艇和通讯
电源等方面具有广泛的应用前景。目前影响燃料电池商业应用的主要问题是成本和寿
命,特别是在汽车应用时负载随时随地变化,燃料电池寿命大幅度下降,目前最好的动
态负载下燃料电池的寿命为 2200h ,距离燃料电池汽车商业化目标寿命 5000h 还有大的
距离。因此,研究的燃料电池失效机理,寻找解决措施,对提高燃料电池使用寿命,推
动燃料电池技术商业化,减少环境污染都具有重大意义。
前人已经就催化剂的耐久性进行了广泛的研究,得到了比较明确的结论。本文着重
研究 Nafion 电解质的耐久性。Nafion 作为电极催化剂的电解质,在不同的温度下具有
不同的结晶度,而且在高温处理后才具有更好的稳定性。因此,本文采用改变电极后处
理温度的方法来改变 Nafion 的结晶度,提高 Nafion 的稳定性,从而达到提高电极耐久
性的目的。除此之外,本文对 PEMFC 催化剂载体的耐腐蚀性进行了研究。石墨纳米纤
维(GNF )作为PEMFC 载体的难点是 GNF 的颗粒达不到纳米级。前人已在常温下研究
了GNF 的耐腐蚀性。本文重点研究用高能球磨、湿磨的方法制备GNF ;探讨在高温(80
℃)环境下制备的 GNF 的耐久性,并对GNF 作为 PEMFC 催化剂载体进行可行性研究。
本文通过对电极寿命测试的方法进行的研究得知,在酸性溶液环境下对电极做 1000
圈 CV,电极性能可衰减 57%,是一个快速的寿命测试方法。通过对电极后处理温度的
研究,证明了在 N2 保护的条件下,恒温加热 30min,且加热温度为 180℃时,电极具有
更好的电化学性能、单电池性能、电化学寿命以及耐腐蚀性;而且通过 TEM 可以看出,
在这个条件下的电极,Pt 颗粒的分布更均匀。
此外,本文还将废旧碳纸回收,经高温灼烧,得到石墨纤维纸的产率约为 84%。采
用高能球磨、湿磨的方法,制备 GNF 。通过 TEM 测试可以看出,制备的 GNF 具有高
的石墨化程度,颗粒已经达到纳米级。通过交流阻抗分析可以看出,GNF 的反应电阻和
CNTs、XC-72 相比,电阻最小。通过 GNF、CNTs 和 XC-72 的耐腐蚀性比较可以看出,
GNF 比 CNTs、 XC-72 更难被氧化。这证实了 GNF 比 CNTs、XC-72 具有更好的耐腐
蚀性。因此,采用高能球磨法制备的 GNF 具备了作为催化剂的载体的基本条件,且具
有较好的抗电化学氧化性。
关键词:质子交换膜燃料电池;后处理温度;高温;耐腐蚀性;石墨纳米纤维
Abstract
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are promising in energy efficiency,
high energy density, no liquid electrolyte corrosion, low temperature quick starting,
compacting structure and so on. It has a wide application prospect in electric vehicles, ground
stations, underwater submarine and communication power. The main issues are the cost and
life, especially in automotive operation at any time when the load changes, the life drops
significantly. Now, the best life of PEMFC is 2200h, there being a great distance from the life
of 5000h. Therefore, studying failure mechanism of the fuel cell, finding solutions to improve
the fuel cell life, promoting the commercialization of fuel ce
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