金属离子对质子交换膜燃料电池膜电极污染过程及机理研究

由燃料气、增湿水污染和电池构建材料腐蚀所引入的杂质金属离子会污染质子交换膜燃料电池膜电极从而导致电池性能衰减，降低电池的使用寿命。目前杂质金属离子污染质子交换膜的研究较多，但污染气体扩散电极的研究较少，而对金属离子污染电池膜电极的动态污染过程的研究更少，杂质金属离子污染燃料电池膜电极的机理至今还不清晰。本项目拟通过建立杂质金属离子污染膜电极的在线评价方法，深入研究杂质金属离子对燃料电池膜电极各部分的影响规律；通过实验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究思路，探求杂质金属离子对膜电极的污染机理，为防止杂质金属离子污染电池提供更多的理论依据。

由燃料气、增湿水未完全净化和电池构建材料腐蚀引入的金属离子杂质会污染质子交换膜燃料电池膜电极，从而导致电池性能衰减，降低电池的使用寿命。本项目通过建立杂质金属离子污染膜电极的在线评价方法，深入研究杂质金属离子对质子交换膜燃料电池和固体聚合物电解质水电解池各部分的影响规律；通过实验研究和理论分析相结合的研究思路，探求杂质金属离子对膜电极的污染机理，为防止杂质金属离子污染电池提供理论依据。. 采用半电池体系模拟金属离子污染工况，研究金属离子对Pt/C、Ir催化剂和气体扩散电极（GDE）的影响。研究发现，在约为0.5V电位下，Cu2+会在Pt/C表面发生欠电位沉积，从而减小催化剂电化学活性比表面积以及抑制氧还原反应的进行；在电压高于1.47V时，Fe3+可能导致Nafion降解，其降解产物导致Ir催化剂的析氧活性下降；Na+则通过与GDE催化层中质子发生离子交换，导致电极上氧还原反应电荷转移电阻显著增大，从而大大降低GDE的性能。. 建立杂质金属离子污染膜电极的在线测试方法，采用外加参比电极的方法表征不同价态金属离子在膜电极内的动态污染特性。结果表明不同价态Na+、Mg2+及Cr3+对以甲醇为燃料的PEMFC影响机理相同，均对膜阻影响很小，主要是通过升高阴极氧还原反应过电位对电池性能造成衰减。相同物质的量浓度的不同价态金属离子污染物进入电池阳极发生“阳极进料”的在线金属离子污染后，由于低价态比高价态金属离子在Nafion中传递更快，造成相同污染时间内Nafion膜与阴极催化层中质子损失更多，故性能下降趋势为Na+ >Mg2+ >Cr3+。相反，将相同物质的量的三种金属离子引入阴极催化层制备浆料中发生“催化层制备”的离线污染时，由于高价态比低价态金属离子具有更大的交换容量，故性能下降趋势为Cr3+ > Mg2+ > Na+。采用相同的方法研究了Na+和Fe3+对固体聚合物电解质（SPE）水电解性能的影响，结果表明金属离子主要通过占据Nafion膜和催化层中的质子传导通道影响SPE水电解池性能。