新型空冷自增濕質子交換膜燃料電池技術研究.pdf

1、近年來,質子交換膜燃料電池(PEMFC)引起了交通、通信等領域的廣泛關注。在終端用戶方面,燃料電池的電性能和經濟性是同樣重要的。但是現(xiàn)在最先進的燃料電池尚不能滿足所有的應用場合。目前自增濕技術成為燃料電池最有發(fā)展前景的技術之一,通過自增濕技術取代外增濕單元,能夠降低PEMFC的成本和系統(tǒng)復雜性?？绽渥栽鰸褓|子交換膜燃料電池由于結構簡單、性能優(yōu)越,在小功率電源應用領域具有非常廣泛的應用前景。
　　 本文采用高溫、高壓溶解-流延法制

2、備Pt摻雜的復合質子交換膜。利用XRD、TGA、FTIR、SEM、XPS和EIS等表征方法對復合膜的尺寸穩(wěn)定性、機械強度、質子電導率等性能進行考察,并對復合膜組裝的單電池進行電化學性能測試。在H2/air干氣操作條件下,復合膜裝備的單電池表現(xiàn)出較好的電化學性能,最高輸出功率達到520mW·cm-2,發(fā)電能力高于相同操作條件下Nation112膜;經過1000h的長期放電測試,復合膜也表現(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膜為電解質膜的薄膜膜電極(MEA)。通過對該制備工藝的優(yōu)化,得到厚度為60μm的MEA。在沒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電性能已經接近商業(yè)PTFE增強的MEA性能,在H2/air干氣操作條件下,最高輸出功率可以達到634mW·cm-2。
　　 本文采用非對稱氣體擴散電極以實現(xiàn)PEMFC內部不同的水管理任務

4、。通過對陰極和陽極氣體擴散電極(GDE)采用不同厚度的碳紙、不同PTFE載量、增厚陽極厚度、減薄陰極厚度、提高陽極的疏水性、降低陰極的疏水性等方法,保證促進陽極保水和陰極排水,以提高電池性能。陽極PTFE含量60％、陰極PTFE含量20％的非對稱型GDE組裝的電池性能比PTFE含量40％的對稱疏水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構的MEA,在每片MEA流場中增加一個加

5、濕區(qū)域,利用尾氣的水分通過膜的傳遞給陽極(或陰極)反應氣體進行加濕。通過對膜加濕效果的測試和單電池電池性能測試發(fā)現(xiàn),帶有加濕區(qū)的MEA能夠有效地將反應氣體的相對濕度從0％提高到62.2％。當操作溫度升高到60℃時,配備有加濕區(qū)的單電池性能明顯高于沒有加濕區(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合起來,實現(xiàn)了熱量的耦合,為燃

6、料電池內部的水管理和熱管理提供了一個全新的思路。利用儲氫器放氫時吸熱,燃料電池利用氫氣發(fā)電時放熱的特點,一方面儲氫器吸收了部分燃料電池的熱量,能夠使燃料電池的熱負荷減少,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氫合金更加穩(wěn)定有效地釋放出儲存的氫氣。這種通過結構耦合而成的新型電堆并未有過相關報道,是本文重點研究方向。采用這種新結構,制備系統(tǒng)結構更加緊湊,能量密度和功率密度更高的100W新型