[發明專利]一種質子交換膜燃料電池氣體擴散層耐久性加速測試方法

有效

• 申請號: 201710210375.4
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN107039668B
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 李賞;熊文楷;王志昌;潘牧
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/04313
• 分類號: H01M8/04313
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發明公開了一種質子交換膜燃料電池氣體擴散層耐久性加速測試方法，該方法首先將氣體擴散層進行疏水處理，然后以浸入電解液一半高度的氣體擴散層作工作電極、鉑電極作對電極、飽和甘汞電極作參比電極，在油浴的條件下向密閉的容器中通入氧氣進行i?t加速模塊測試。本發明方法能分析液態水和氣態水界面處GDL的衰減情況，以及水的狀態、不同絕對加濕度對GDL的影響。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種質子交換膜燃料電池氣體擴散層耐久性加速測試方法。

背景技術

隨著環境問題越來越嚴重，特別是溫室氣體造成的各種問題尤為突出，減少溫室氣體的排放越來越受到人們的重視，減少對化石能源的依賴是我們著手解決這一問題的首要方向。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作為一種新能源，具有工作溫度低、無污染、無腐蝕、比功率大、啟動迅速等優點，得到了越來越多的關注。目前，PEMFC沒有實現大量的商業化，最主要的原因是耐久性差。耐久性測試過程中，導致PEMFC性能下降的一個主要因素就是氣體擴散層水管理能力的衰減。氣體擴散層作為PEMFC的關鍵部分，位于催化層和流場之間，其作用主要在于降低催化層與流場之間的接觸電阻，使反應氣體和產物水在流場和催化層之間實現均勻再分配，提高電極性能。

早在2005年美國能源部就提到可以將氣體擴散層置于90℃、質量分數為15％的過氧化氫中進行耐久性加速試驗，在不同的時間段取出作相應的分析測試，來觀察其水管理能力的變化。Frisk等人[Frisk J,Boand W,Kurkowski M,Atanasoski R,SchmoeckelA.Fuel cell seminar2004.San Antonio,TX USA；November 2004.]也將氣體擴散層(GasDiffusion Layer，GDL)置于過氧化氫中進行了耐久性加速實驗，實驗后發現GDL質量減少，表面接觸角降低。他們還通過給GDL外加電壓的方式進行離線耐久性實驗，結果發現加載在GDL上的電壓值越大，GDL上碳的氧化速率就越快。Dan等人[Dan Liu,Durability Study ofProton Exchange Fuel Cells via Experimental Investigations and MathematicalModeling,Dissertation submitted to the faculty of the Virginia PolytechnicInstitute and State University in partial ulfillment of the requirements forthe degree of Doctor of Philosophy In Macromolecular ScienceEngineering,July11,2006.]研究發現氣體擴散層中的碳材料在水和氧同時存在的條件下有較弱抗氧化能力。Fowler等人[D.P Wiklinson and J.St-Pierre,Chapter 47:Durability,Handbook offuel cells-fundamentals,technology,applications,2003.]也曾直接將膜電極(Membrane Electrode Assembly，MEA)長時間放置于水中，這樣會導致GDL表面孔結構的變化，親水物質堆積以及疏水材料的流失而造成性能衰減。Ihonen等人[J.Ihonen,M.Mikkola,G.Lindbergh，Flooding of Gas Diffusion Backing in PEFC[J].J.Electrochem.Soc.,2004(151):A1152-A1161.]通過增加氣體擴散層兩側的壓力來探究了GDL的物理耐久性，他們發現所加壓力越大，越會導致GDL傳質受阻。Wood等人[Wood DL,Davey JR,Atanassov P,Borup RL.PEMFC component characterization and itsrelationship to masstransport overpotentials during long-term testing.ECSTrans 2006；3(1):753–63.]利用單電池進行了長時間的耐久性測試后發現，GDL上聚四氟乙烯(PTFE)的微觀結構發生了明顯的改變。