吹扫和微孔层材料对PEMFC冷启动性能影响的研究

作     者：樊越 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙翠茹;蔡毅

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：质子交换膜燃料电池 冷启动 吹扫 微孔层 高频阻抗 

摘      要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)在寒冷环境下启动困难是其商业化的主要障碍之一。PEMFC低温启动困难的主要原因是当其温度处于0℃以下时,内部的水会结冰,阻碍反应气体的传输,从而导致PEMFC启动失败甚至对膜电极造成损伤。因此,鉴于在低温环境中,燃料电池内的水会影响其运行性能,本文通过在燃料电池停机以后对其进行吹扫,降低低温启动时的初始含水量,减少结冰概率,从而提高燃料电池低温启动性能。除此之外,由于微孔层(MPL)对PEMFC的水和气的传输起着重要作用,但使用聚四氟乙烯(PTFE)制备的MPL价格较高且制备过程复杂,所以本文使用聚苯硫醚(PPS)来制备MPL,并测试了聚苯硫醚的含量以及粒径大小对MPL性能的影响。本文主要内容和结果如下:1.吹扫条件影响燃料电池的低温启动性能。本文通过改变干燥氮气的吹扫时间和吹扫流量来探究吹扫条件对冷启动性能的影响。实验结果发现低温启动前(或停机后)的吹扫并非时间越长或流量越大对冷启动性能就越好。2.装配螺栓扭矩影响燃料电池的低温启动性能。本文对装配螺栓扭矩分别为1 N·m和4 N·m的燃料电池进行低温启动实验。实验结果表明,由于孔隙率的影响以及水的再分配,导致吹扫效果以及后续冷启动性能出现差异,装配螺栓扭矩为1 N·m的电池表现出较好的性能。3.吹扫后存在高频阻抗弛豫现象。本文对不同吹扫气体流量以及不同吹扫温度的高频阻抗变化现象进行探究。实验结果发现高频阻抗经历下降后的稳定值随着流量的增大而增大,达到稳定值所需的时长也随着流量的增大而增加,并且温度也对弛豫现象存在影响。***的材料影响燃料电池的低温启动性能。本文对疏水剂分别为PTFE以及PPS的MPL性能进行对比,并分别对装配有两种微孔层的PEMFC在70℃时的运行性能以及-10℃的低温启动性能进行测试。发现由PPS制备的MPL的燃料电池在常规温度下运行性能略差于由PTFE制备的,但是在-10℃时表现出良好的运行性能。***的含量和粒径大小影响MPL的性能。通过对PPS质量分数分别为10%、20%、30%的MPL进行对比,发现PPS质量分数为20%的MPL表现出最佳的性能;通过对PPS粒径为10μm和30μm的MPL进行对比,发现当PPS粒径为10μm,即PPS粒径较小时,MPL表现出较好的性能。