无增湿PEM燃料电池产物水动态特性的原位监测和传递机制研究

The transport and accumulation of product water in the multi-scale catalyst layer is essential for cell performance and durability in an operating PEM fuel cell. Most of studies on water transfer are focused on gas diffusion layer and electrolyte membrane, few works deals with product water in the cathode catalyst layer. To obtain a better fundamental understanding of water transport and distribution in the catalyst layer under non-humidified PEMFC, Ex-situ water transfer measurement setups and in-situ digital holographic interferometry coupling with electrochemical techniques are designed and employed to monitor water generation, phase transition and tranport in the three-dimension catalyst layer. The transport mechanism and modeling analysis are proposed and useful for optimizing the structure of catalyst layer, water management and improved cell performance.

水在多尺度催化层内的存在形态和传递特性对质子交换膜燃料电池性能影响非常显著，亟待深入研究。本项目通过发展具有高度时间和空间分辨率的三维成像原位（In-situ）检测方法，深入研究了无增湿条件下，电池动态运行过程中产物水在催化层多尺度孔道内存在形态、形成条件、分布情况及传递方式与催化剂/树脂薄膜界面特性、催化层微观结构、电极反应、电池性能的相互关系，揭示了催化层中的产物水传递规律和电极结构、传质强化、电池性能的耦合关系和协同调控机制，对于优化催化层结构与电极材料、制订电池系统管理策略，提高电池性能和使用寿命，具有重要的理论与应用意义。

中文摘要：项目针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）无增湿工况下产物水在催化层及电极界面的形成、分布及传递的问题，开发了结构简单、测量精准的膜电极组件的水渗透率测试装置，设计和搭建了具有高时空分辨率的全息光学成像系统。利用非原位的液态水/气态水渗透率测试装置和原位的全息光学成像系统、电化学阻抗技术，较系统地研究了产物水在催化层多尺度孔道内的生成、分布、存在形态、传递方式，细致考察了催化层的微观结构和关键组分变化（Nafion 含量、碳载体类型、电池温度、增湿度、载气类型、气体压力等）对水分布、传递的影响，分析了催化层中的液态水传输阻力和气态水的传输阻力。研究表明，Nafion 含量、碳载体表面积及气体压力的增加，都会提高催化层中的水传输阻力；而提高电池工作温度和增湿度则会减小催化层中水的传输阻力。催化层的亲水性强时，产物的液态水主要积聚在小孔径的孔隙中；而当催化层的憎水性强时，液态水倾向于大孔径的孔隙。大孔径内的水易自发互联和分散，且易与扩散层中水连接，利于水的排出。小孔径中的水不容易互联，且扩散层孔隙中水也不易与催化层中的液态水自发连接，导致催化层中水的积累，造成水淹现象。在上述基础上，综合催化层内水传递特性与电池电化学反应，提出了新型的催化层中水传递数学模型和Nafion树脂分布模型，基本阐明了催化层内及催化剂/树脂薄膜界面间产物水的传递规律和电极反应、电池性能的协同作用机制，并进一步探索了大电流密度下抗水淹一体化电极结构设计策略。项目的研究成果为阐明产物水在催化层内的传递规律、催化层结构优化和电池水管理策略的制订提供了一定实验依据和理论指导。