新型空冷自增濕質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái),質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)引起了交通、通信等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在終端用戶方面,燃料電池的電性能和經(jīng)濟(jì)性是同樣重要的。但是現(xiàn)在最先進(jìn)的燃料電池尚不能滿足所有的應(yīng)用場(chǎng)合。目前自增濕技術(shù)成為燃料電池最有發(fā)展前景的技術(shù)之一,通過(guò)自增濕技術(shù)取代外增濕單元,能夠降低PEMFC的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性?？绽渥栽鰸褓|(zhì)子交換膜燃料電池由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越,在小功率電源應(yīng)用領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文采用高溫、高壓溶解-流延法制

2、備Pt摻雜的復(fù)合質(zhì)子交換膜。利用XRD、TGA、FTIR、SEM、XPS和EIS等表征方法對(duì)復(fù)合膜的尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)子電導(dǎo)率等性能進(jìn)行考察,并對(duì)復(fù)合膜組裝的單電池進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。在H2/air干氣操作條件下,復(fù)合膜裝備的單電池表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能,最高輸出功率達(dá)到520mW·cm-2,發(fā)電能力高于相同操作條件下Nation112膜;經(jīng)過(guò)1000h的長(zhǎng)期放電測(cè)試,復(fù)合膜也表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。
　　 本文采用熱定型C

3、CM工藝制備了以Nafion111膜為電解質(zhì)膜的薄膜膜電極(MEA)。通過(guò)對(duì)該制備工藝的優(yōu)化,得到厚度為60μm的MEA。在沒(méi)有任何外加濕的條件下,熱定型CCM工藝比傳統(tǒng)熱壓工藝制備的單電池電性能提高近20％。利用熱定型CCM工藝制備的薄膜MEA電性能已經(jīng)接近商業(yè)PTFE增強(qiáng)的MEA性能,在H2/air干氣操作條件下,最高輸出功率可以達(dá)到634mW·cm-2。
　　 本文采用非對(duì)稱氣體擴(kuò)散電極以實(shí)現(xiàn)PEMFC內(nèi)部不同的水管理任務(wù)

4、。通過(guò)對(duì)陰極和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散電極(GDE)采用不同厚度的碳紙、不同PTFE載量、增厚陽(yáng)極厚度、減薄陰極厚度、提高陽(yáng)極的疏水性、降低陰極的疏水性等方法,保證促進(jìn)陽(yáng)極保水和陰極排水,以提高電池性能。陽(yáng)極PTFE含量60％、陰極PTFE含量20％的非對(duì)稱型GDE組裝的電池性能比PTFE含量40％的對(duì)稱疏水GDE制備的PEMFC性能高5％,比商業(yè)的GDE性能高9.16％。
　　 本文提出了一種全新結(jié)構(gòu)的MEA,在每片MEA流場(chǎng)中增加一個(gè)加

5、濕區(qū)域,利用尾氣的水分通過(guò)膜的傳遞給陽(yáng)極(或陰極)反應(yīng)氣體進(jìn)行加濕。通過(guò)對(duì)膜加濕效果的測(cè)試和單電池電池性能測(cè)試發(fā)現(xiàn),帶有加濕區(qū)的MEA能夠有效地將反應(yīng)氣體的相對(duì)濕度從0％提高到62.2％。當(dāng)操作溫度升高到60℃時(shí),配備有加濕區(qū)的單電池性能明顯高于沒(méi)有加濕區(qū)的單電池的性能,且具有加濕區(qū)的單電池能夠在0.5V、60℃的操作條件下穩(wěn)定工作。
　　 本文將儲(chǔ)氫合金的放氫吸熱特性和燃料電池工作放熱特性有效地結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)了熱量的耦合,為燃

6、料電池內(nèi)部的水管理和熱管理提供了一個(gè)全新的思路。利用儲(chǔ)氫器放氫時(shí)吸熱,燃料電池利用氫氣發(fā)電時(shí)放熱的特點(diǎn),一方面儲(chǔ)氫器吸收了部分燃料電池的熱量,能夠使燃料電池的熱負(fù)荷減少,從而降低電堆冷卻所需功耗,提高燃料電池的發(fā)電效率,另一方面,燃料電池釋放出的熱量又能使得儲(chǔ)氫合金更加穩(wěn)定有效地釋放出儲(chǔ)存的氫氣。這種通過(guò)結(jié)構(gòu)耦合而成的新型電堆并未有過(guò)相關(guān)報(bào)道,是本文重點(diǎn)研究方向。采用這種新結(jié)構(gòu),制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊,能量密度和功率密度更高的100W新型