质子交换膜燃料电池微孔层的构建及其水管理的研究

作     者：顾天颐 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨瑞枝

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：质子交换膜燃料电池 气体扩散层 微孔层 水管理 电池性能 

摘      要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种很有发展前景的清洁能源器件,因其能量转换效率高、零排放和工作温度低等优点而引起人们极大的关注,具有广阔的应用前景。但PEMFC也面临较多问题,尤其是大电流密度下的水管理问题可以导致电池内部发生水淹并使得电池性能快速下降。气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池的重要组件,由碳纸基底(SL)和微孔层(MPL)两部分组成,起到了支撑催化剂层、为反应气体和产物水提供重要的传质通道和传输电子的作用。微孔层的合理构筑对质子交换膜燃料电池的水、气传输起着关键作用。因此,本硕士论文针对质子交换膜燃料电池微孔层的水管理问题,从微孔层的亲、疏水性和孔隙结构调控两方面出发,改善电池在大电流密度下的水管理以及透气性,从而提高电池的性能,具体的研究内容和结果如下:(1)选择全氟硅烷作为疏水剂,采用化学嫁接的方式,调节炭黑表面的润湿性。接触角测试结果表明,经过化学嫁接疏水剂的炭黑的接触角提高到了 150°以上,具有超疏水特性。FTIR、XPS的表征结果证实了全氟硅烷以共价键的形式接枝到炭黑表面,并且经过化学接枝的碳黑的疏水性具有优异的稳定性。以所制备的疏水炭黑构建微孔层MPL,透气和透湿的测试结果表明,以化学接枝方式实现超疏水性的方法能够有效改善微孔层的透气和透水性能。在单电池的测试中,所制备的微孔层也表现出更低的传质损失。得益于微孔层的水管理问题的改善,质子交换膜燃料电池在大电流密度区域获得得了更高的功率密度。该方法克服了传统的以聚四氟乙烯(PTFE)物理混合碳黑并进行烧结的疏水处理方法的局限性,为微孔层的疏水处理提供了一种新的思路。(2)在经过化学嫁接的疏水炭黑中添加亲水碳纳米管(CNT)构筑同时存在亲水与疏水两种通道的微孔层,从而有助于水和反应气体在不同的区域进行传输。研究CNT对MPL形貌和结构的影响,并结合粗糙度、四探针和透气性测试结果,探究不同含量的CNT对MPL物理性质的影响。测试结果表明,合适的CNT含量有助于提高MPL整体的电导率,并且能改善MPL的孔隙结构,从而提高其透气性。在低湿度和高湿度的条件下,分别测试了不同样品的燃料电池性能,结果表明,亲水材料的添加能够改善电池的水管理,提高电池的性能。由于疏水炭黑和亲水CNT的润湿性不同,水倾向于沿着亲水CNT传输,从而在疏水炭黑中留出更多的孔隙用于反应气体的传输,缓解高电流密度下的传质极化。研究结果表明,在MPL中添加10%的M-CNT在低湿度和高湿度下均有助于改善水管理、从而提高燃料电池的性能。(3)通过数值模拟,设计具有分级孔隙结构的MPL用于燃料电池,以改善电池的水管理。在模拟中重构了分级多孔碳的模型,改变大孔和介孔的比例,探究其对MPL内部结构的影响。分别采用瞬态两相流和稳态单向流方法,模拟水在MPL中的传输过程,深入分析水在MPL中的传输时间、速度分布以及MPL排出水的流量大小。介孔的添加起到了增加内部孔隙并连通大孔的作用,但其较小的孔径也造成较大的毛细力会阻碍水的传输,同时过多的介孔会导致局部的水淹。模拟结果表明,合适的大孔和介孔比例有助于水的排出并减少水淹的发生。数值模拟能够为MPL的多孔结构设计提供更多的可行方案。