【摘 要】
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质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）因功率密度高、运行温度低、动态响应快、无噪声、环境友好等优势成为传统动力装置极具潜力的替代品,极大地推动了新能源市场的发展。现有PEMFC仍依赖于贵金属铂作为催化剂实现燃料和氧化剂的电化学反应,但是铂催化剂成本高、利用率低等缺点限制了PEMFC在汽车领域的商业化应用。为提高铂催化剂的利用率,现有研
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质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）因功率密度高、运行温度低、动态响应快、无噪声、环境友好等优势成为传统动力装置极具潜力的替代品,极大地推动了新能源市场的发展。现有PEMFC仍依赖于贵金属铂作为催化剂实现燃料和氧化剂的电化学反应,但是铂催化剂成本高、利用率低等缺点限制了PEMFC在汽车领域的商业化应用。为提高铂催化剂的利用率,现有研究广泛采用垂直方向梯度化膜电极（Membrane electrode assembly,MEA）技术实现电池性能一定程度地提高和成本的降低。燃料电池上下游区域氧气浓度与电流密度的不均匀性导致平面内局部区域铂催化剂利用率不均匀,目前针对平面方向铂催化剂分布研究仍相对匮乏,因此亟待开展针对平面方向铂分布的实验研究。本文结合宏观性能测试、电化学表征手段,针对不同结构参数和工况参数,对阴极催化层平面内铂分布特性的性能影响规律进行了系统的研究。本文的主要研究工作包括:（1）搭建了催化剂自动喷涂实验平台,有效提高了喷涂效率,并保证了催化剂涂层的平整度和一致性。基于Nafion 211膜,制备具有不同铂分布特征的MEA。（2）本文通过扫描电子显微镜以及分块称量法研究了不同结构参数（MEA制备方法、上下游铂载量梯度、阴极平均铂载量、阴极有无微孔层、阴极气体扩散层亲疏水性）对铂分布的影响,结合极化曲线、功率密度曲线和电化学阻抗谱分析了不同铂分布特征的MEA对PEMFC性能的影响。结果表明催化剂涂覆膜法使MEA的欧姆阻抗更小,有利于提高铂不均匀分布的性能。高电流密度下,铂不均匀分布MEA的阴极活化损失和浓度损失更小,阴极电化学反应动力学得到增强,性能要高于铂均匀分布MEA。较大上下游铂载量梯度和较小阴极平均铂载量会削弱铂不均匀分布的性能优化效果。阴极使用疏水性的气体扩散层且不带微孔层有利于强化铂不均匀分布的性能优化作用。（3）研究了不同工况参数（阴极进气流量、工作温度、相对湿度、背压、氧气）下铂分布特性对PEMFC性能的影响。结果表明较高阴极进气流量、较低工作温度、较高相对湿度有利于降低铂不均匀分布MEA的阴极活化损失和浓度损失,提高电池性能。较低的相对湿度下加背压可以增强传质,强化铂不均匀分布性能优化效果;较高的相对湿度下加背压会增强水淹现象,抵消优化效果。氧气工况下,电池平面内氧气浓度分布更加均匀,铂均匀分布性能更高。
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