大气污染物对质子交换膜燃料电池性能影响的研究

《大气污染物对质子交换膜燃料电池性能影响的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、大气污染物对质子交换膜嫩料电池性能影响的研究专业:环境工程研究生:杨代军指导教师:马建新(教授)答辩日期:2007.01.摘要本文旨在研究空气中存在的主要污染物对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响，并在此基础上提出了抑制和消除其影响的方法。研究结果将有助于了解各种大气污染物对PEMFC的影响程度，认识这些污染物的影响机理，为提高燃料电池汽车(FCV)在实际环境中使用的耐久性提供科学依据和有效手段。本文选定SOz,NO,碳氢化合物(HC)和CO四种主要大气污染物作为研究对象，研究其对PEMFC的单因素影响和协同影响。通过采用恒电流放电(V-0、

2、极化曲线(V-D,电化学交流阻抗谱(EIS)和循环伏安(CV)等电化学方法，测试了单电池及小功率电堆在受污染物影响前后的电池性能和电化学性质的变化;结合透射电子显微镜(TEM),X一射线光电子能谱(XPS)、色谱(GC)、质谱(MS)等表征手段，研究了污染物影响电池性能的作用机理;文中还探讨了预防、减缓和修复这些污染物影响的措施。研究表明，SOz是影响PEMFC性能的最主要的空气污染物。当电池以500mAcm2的电流密度放电时，空气中SOZ浓度达50ppb(体积比浓度，下同)时即对电池性能产生不可忽略的影响;当S02浓度为10ppm时则可使电池的性能

3、下降达约50%.而且，SO:的影响是不可逆的，通过洁净空气吹扫只能使电池性能恢复至初始水平的66%左右。为此，本文提出了降低SOz的中毒影响的两个方法，一一CV氧化法和外加电势脉冲法。使用这两种方法，均可使电池的性能恢复约94%eS仇对阴极的毒化作用主要是通过在Pt表面的强吸附挤占了。z的吸附活性位，从而使Pt/C阴极催化剂上的氧气还原反应(ORR反应)活性下降;而且，S02氧化过程中会产生混合电位，使得阴极电势降低。通过氧化手段可以将强吸附的S伍去除，但Pt1C的电化学活性表面积(EAS)会变小，因此电池性能无法得到完全恢复。EAS缩小的原因是Pt

4、颗粒变大以及SOZ氧化生成的阴离子在PUC上发生特性吸附。由于NO和NOZ与Pt之间的作用力较弱，空气中的NO=(本文中，NO:NOZ-9:1)对PEMFC性能的影响比SOz轻微。当空气中NO:浓度低于10ppm时，对PEMFC性能的影响可以忽略。但是，当NO:浓度为140ppm和1,480ppm时，对电池性能的影响却非常显著。NO、对PEMFC的影响主要是由于其自身在Pt表面的吸附以及其衍生带负电物种在Pt表面的特性吸附阻碍了OZ的吸附活性位，同时增大了电化学阻抗所造成的;NOX在阴极还可以发生各种电化学反应，从而产生混合电位，这也会影响到阴极电势

5、。尽管如此NO、的影响却是可逆的，经过长达8h以上的N2吹扫后，电池的性能基本可以得到完全恢复。以丙烷和1,3一丁二烯为代表的汽车尾气污染物对PEMFC的影响不如前两种污染物严重。当HC的总浓度小于40ppm(丙烷:1,3一丁二烯=1:1)时，它们对电池性能的影响可以忽略;在此浓度以上，它们对电池性能的影响就变得快速而显著。但是由于烃类化合物，尤其是不饱和的烃类，容易在Pt的电催化作用下被02深度氧化成Cot和H2O,因此它们对电池性能的影响是可逆的—用洁净空气吹扫运行，很容易消除其影响。分别将79ppm,158ppm和1,500ppm的co通入电池

6、阴极，发现电池对空气中的CO表现出良好的耐受性，即使在1,000mACrn72的电流密度下放电，也未见CO对电池的性能有明显的影响。以1,500ppmCO/N2和1,500ppmCO/空气分别作为预吸附气，进行电池原位CV测试及PEMFC-MS联测的表征结果表明，CO在Pt表面可被快速氧化变成C02，因此Pt的ORR反应活性基本不受影响。但是，当CO存在于还原性的阳极气体(玩)中时，其对PEMFC的性能就有显著的影响。例如，重整气(比含量50%)中含10PPMCO时即可使电池的性能下降达10.6%.本文进一步研究了这些污染物共存时对PEMFC性能影响

7、的协同作用。实验中模拟了两种情景浓度—汽车尾气和城市大气。模拟汽车尾气中包含500ppbS02.1,200ppmNO.,300ppmHC和1,000ppmCO，虽然这些杂质气体各自的浓度并不高，但它们共存时对电池阴极的影响比相同浓度下任一单组分的影响都更大。这可能是因为这些污染物在Pt表面分别占据不同的吸附位，导致更多的吸附位被占据，而且其中的还原性物质可被02氧化从而导致02浓度明显下降。与模拟汽车尾气不同的是，模拟城市大气污染物(含50ppbS02,100ppbNO,2ppmHC和50ppbCO)对电池的影响较小，特别是在中低电流密度运行时，其影

8、响基本可以忽略。研究结果表明，具有酸性特征的S02和NO、是影响PEMFC的关键空气污染物。为此，本文采用K