开路电压工况下燃料电池膜电极耐久性研究

收稿日期:２０１７Ｇ０９Ｇ２２

作者简介:黄㊀豪(１９９３Ｇ),男,江西赣州人,硕士生,研究方向为燃料电池膜电极寿命机理.通信联系人:杨座国,E Ｇm a i l :z g y a n g

＠e c u s t ．e d u ．c n ㊀㊀文章编号:１００６Ｇ３０８０(２０１８)０５Ｇ０６３８Ｇ０６D O I :１０．１４１３５/j

．c n k i ．１００６Ｇ３０８０．２０１７０９１７００１开路电压工况下燃料电池膜电极耐久性研究

黄㊀豪１,㊀杨座国１,㊀王亚蒙２,㊀胡鸣若３,㊀倪蕾蕾２,㊀曾乐才２,㊀季文姣２

(１．华东理工大学化工学院,上海２００２３７;２．上海电气股份有限公司中央研究院,

上海２０００７０;３．上海交通大学燃料电池研究所,上海２００２４０

)㊀㊀摘要:采用开路电压(O C V )工况研究了质子交换膜燃料电池(P E M F C )

膜电极的耐久性,在O C V 工况运行过程中,定期地通过极化曲线㊁电化学交流阻抗谱(E I S )㊁线性扫描伏安法(L S V )㊁短路电阻测试等在线测试方法对膜电极性能进行分析.当O C V 工况运行结束后,

采用扫描电镜(S E M )㊁离子色谱对质子交换膜(P E M )厚度和阴㊁阳极废水进行分析.结果表明,在O C V 工况下

运行１１５h 后,P E M F C 的开路电压由１．０１３V 下降到０．７９４V ,最大功率密度由５３８．８mW /c m

２

下降到１９６mW /c m

２

;在线电化学测试结果表明,欧姆电阻先减小后增大,氢气渗透通量逐渐增大,短路电阻逐渐减小;离子色谱测试结果表明,阴极和阳极废水中都存在氟离子;S E M 表征发现,

P E M 厚度减小;在O C V 工况下,P E M 发生了衰减,从而导致P E M F C 开路电压下降和性能衰减.

研究结果表明P E M 是影响膜电极耐久性的重要因素.

关键词:质子交换膜燃料电池(P E M F C );膜电极;开路电压(O C V )工况;耐久性;加速测试中图分类号:T K ９１

文献标志码:A

D u r a b i l i t y S t u d y o fM e m b r a n e

E l e c t r o d eA s s e m b l y u

n d e r O p e nC i r c u i tV o l t a g eO p

e r a t i o n HU A N G H a o １,㊀Y A N GZ u o Ｇg u o １,㊀WA N GY a Ｇm e n g ２,㊀HU M i n g

Ｇr u o ３,N IL e i Ｇl e i ２,㊀Z E N GL e Ｇc a i ２,㊀J IW e n Ｇj

i a o ２(１．S c h o o l o f C h e m i c a lE n g i n e e r i n g ,E a s t C h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,

S h a n g h a i ２００２３７,C h i n a ;２．C e n t r a l A c a d e m y ,S h a n g h a i E l e c t r i cG r o u p C o ．L t d ,S h a n g h a i ２０００７０,C h i n a ;３．I n s t i t u t e o f F u e lC e l l ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n g h a i ２００２４０,C h i n a )A b s t r a c t :P r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e l c e l l (P E M F C )i s e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y e n e r g yp

r o d u c e r ．I t i s o n e o f t h e l e a d i n g c l e a n e n e r g y t e c h n o l o g i e s b e i n g c o n s i d e r e d f o r t r a n s p o r t a t i o n a p p l i c a t i o n s a n d p o w e r g e n e r a t i o n ．T h em a i nh u r d l e l i m i t i n g t h e l a r g e s c a l e c o m m e r c i a l i z a t i o no f P E M F C i s t h e d u r a b i l i t y

．I n t h i s p a p e r ,d u r a b i l i t y o fm e m b r a n e e l e c t r o d e a s s e m b l y f o r f u e l c e l lw a s i n v e s t i g a t e du n d e r o p e nc i r c u i t v o l t a g e (O C V )o p e r a t i o na t ９０ħ,３０％R H (r e l a t i v eh u m i d i t y )a n d５０k P ab a c k p r e s s u r e ．As i n g

l e c e l lw i t ha n a c t i v e a r e a o f ２５c m ２

w a s t e s t e d ．T h em e m b r a n e e l e c t r o d e a s s e m b l y c o n s i s t s o fN a f i o n ２１２p r o t o n e x c h a n g

e m e m b r a n e (P E M ),c a t a l y s t l a y e ra n d g a sd i

f f u s i o nl a y e r ．T h e p e r f o r m a n c eo fP E M F Cd u r i n

g t

h eO C V o p e r a t i o nw a sc h a r a c t e r i z e d w i t ht h eh e l p o f i n s i t u e l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r e m e n t s ,s u c ha s p o l a r i z a t i o n c u r v e s ,e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y (E I S )a n d l i n e a r s w e e p v o l t a g

e s c a n s (L S V )．P o s t m o r t e m a n a l y s e s s u c ha ss c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y (S E M ),a n d i o nc h r o m a t o g r a p h y w e r ea p p l i e dt o i d e n t i

f y

８

３６华东理工大学学报(自然科学版)

J o u r n a l o fE a s tC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (

N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l ．４４N o ．５

２０１８Ｇ１０