疏水处理对PEMFC气体扩散层传质特性的影响

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1、天津大学硕士学位论文疏水处理对PEMFC气体扩散层传质特性的影响EffectofhydrophobictreatmentonthemasstransfercharacteristicsofPEMFCgasdiffusionlayer学科专业：动力工程研究生：岳利可指导教师：王世学教授天津大学机械工程学院2017年09月摘要质子交换膜燃料电池已经初步进入商业化运用阶段，但是如何进一步降低其生产成本以及提高其性能仍然是目前研究的重点。探究燃料电池内部的水气传输特性，寻求有效的水管理策略，进而解决其内

2、部的水平衡问题依然是延长电池使用寿命以及提高电池性能的关键所在。扩散层作为燃料电池的核心部件，承担着气体扩散以及水分排出的功能，在燃料电池水管理中发挥着举足轻重的作用。本文围绕燃料电池水管理展开并以扩散层为研究对象，主要工作包括三部分，第一部分利用疏水剂PTFE对普通亲水性的扩散层进行疏水处理，制作出了不同宽度和PTFE含量的条状混合型气体扩散层；第二部分针对燃料电池水管理，将上述制作的混合型扩散层应用到水含量较多的质子交换膜燃料电池阴极，通过实验研究混合型气体扩散层对燃料电池性能及阴极水分布的

3、影响；第三部分则对含水状态的混合型气体扩散层，分别利用可视化的实验装置，X射线扫描，中子成像技术等观测方法对扩散层内水分布及水含量的变化进行了观测。首先，目前的研究成果显示气体扩散层的疏水性处理确实对燃料电池性能有影响，但是目前研究大多是用疏水剂对整个气体扩散层进行处理或带着微孔层进行部分疏水处理。上述两种方法一方面不能直接观察比较亲疏水性带来的水分布变化；另一方面，带着微孔层对扩散层进行疏水处理时，容易造成PTFE颗粒堵塞微孔层，使燃料电池性能下降。因此本文设计了一套实验装置制作出了不含有微孔

4、层的亲疏水区相间分布的混合型扩散层，并将其应用于燃料电池的阴极。其次，利用燃料电池测试平台对阴极使用混合型扩散层的燃料电池进行了性能测试。结果发现，相同工作条件下，阴极使用混合型气体扩散层的燃料电池表现出更好的发电性能；同时对电池的内部电阻进行了测量，发现使用混合型扩散层的燃料电池内部电阻更小；另外，利用X射线扫描设备对燃料电池进行原位的可视化观测，发现使用混合型扩散层后，燃料电池阴极液态水不再均匀分布，主要集中在亲水区。最后，为进一步研究混合型扩散层亲疏水区域分布及水含量的变化，采用真空浸水和

5、自然蒸发条件，利用中子成像技术对其进行了可视化及定量分析。研究发现，随着蒸发过程的进行，疏水区内的水分蒸发更快，说明相同水含量情况下，疏水区更有利于液态水的排出；其次，研究结果发现在燃料电池用多孔介质内的水分移动仍然受重力的影响，这对今后研究燃料电池水管理问题具有重要意义。关键词：质子交换膜燃料电池，气体扩散层，疏水处理，可视化，中子成像IABSTRACTTheprotonexchangemembranefuelcellhasbeeninitiallyenteredintothecommerci

6、alizationstage,buthowtofurtherreduceitsproductioncostandimproveitsperformanceisstillthefocusofthecurrentresearch.Exploringthecharacteristicsofwatervaportransmissionwithinthefuelcellandfindinganeffectivewatermanagementstrategy,andthensolvingitsinterna

7、lwaterbalanceproblemisstillthekeytoprolongthecelllifeandimprovethecellperformance.Diffusionlayerasthecorecomponentsoffuelcells,bearthegasdiffusionandwaterdischargefunction,inthefuelcellwatermanagementplaysapivotalrole.Thispaperfocusesonthemanagemento

8、ffuelcellwaterandthediffusionlayerastheresearchobject.Themainworkincludesthreeparts.ThefirstpartusesthehydrophobicagentPTFEtohydrophobizetheordinaryhydrophilicdiffusionlayertoproducestripeswithdifferentwidthandPTFEcontenthybridgasdiffusionlayer;These