新型小型燃料電池基礎(chǔ)研究及研制.pdf

1、全球范圍內(nèi)的能源危機以及環(huán)境污染更加凸顯了人們尋找新的清潔能源的努力。作為清潔能源的燃料電池備受關(guān)注。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，燃料電池技術(shù)日趨成熟，各主要公司都相繼宣布推出燃料電池的時間計劃表，包括燃料電池汽車，筆記本計算機用燃料電池，手機燃料電池，UPS電源等，其范圍涵蓋瓦級至千瓦級、兆瓦級的燃料電池。在這樣的研究背景下，本文工作建立了廣東省第一個燃料電池的小型生產(chǎn)基地，搭建了燃料電池應(yīng)用性研究平臺，其目的是研究小型氫空燃料電池。建立生產(chǎn)基

2、地后，設(shè)計并組裝了200W的燃料電池，完成100W樣品電堆的測試，測試結(jié)果表明電池性能達到設(shè)計要求。 根據(jù)便攜式燃料電池的特點，本工作設(shè)計一種新型矩陣通孔組合流道陰極流場板結(jié)構(gòu)，由于孔內(nèi)孔外氣體流速不同，基本解決了燃料電池散熱與反應(yīng)氣需求量之間的矛盾，充分利用反應(yīng)生成的水，使電池在大氣體流量下穩(wěn)定工作，該項工作已申請發(fā)明專利。按照新型流場板的設(shè)計，組裝了15W、25W、50W電池堆，測試結(jié)果表明電池性能達到設(shè)計要求。 本

3、工作進行了無極板緊湊型燃料電池的基礎(chǔ)研究。傳統(tǒng)燃料電池中的雙極板占電池成本的60％以上，并且也是構(gòu)成燃料電池體積和重量的主要部分(80％以上)。在電池的結(jié)構(gòu)中不再采用雙極板意味著可以獲得更小更輕的緊湊型燃料電池，提高燃料電池的體積比功率，重量比功率。本文表明陰極和陽極電極的增水性差異增強了電極對氧還原和醇氧化反應(yīng)的選擇性，即使在沒有明顯選擇性催化劑的條件下，混合物燃料電池仍然能夠獲得較高的功率輸出。當(dāng)采用0.5M乙醇和2M氫氧化鉀混合溶

4、液與氧氣混合作為混合燃料，組裝的三片MEAs無雙極板電池堆測試結(jié)果表明在室溫條件下單電池即可獲得10mWcm-2的功率輸出。由于還沒有采用選擇性催化劑以及電極結(jié)構(gòu)也沒有優(yōu)化，這樣的結(jié)果是非常吸引人的。 氫空型燃料電池除燃料電池本身的技術(shù)難題外，目前的主要困難是氫氣的制備、儲存和運輸，它在很大程度上制約了燃料電池商業(yè)化發(fā)展的進度。直接甲醇燃料電池由于系統(tǒng)簡單，液體燃料比能量高，易于儲存運輸，成為研究的熱點。本文完成了一種直接甲醇燃

5、料電池堆的設(shè)計，具體組裝了5瓦、20瓦、100瓦燃料電池堆，電池性能達到設(shè)計要求。 基于小型燃料電池?zé)o外加濕裝置的考慮，本工作重點研制了自保濕質(zhì)子交換膜，采用兩種方法制備出均勻分布納米二氧化硅的有機無機復(fù)合膜，一種方法是極性溶劑二甲基甲酰胺全氟磺酸樹脂溶液與商業(yè)二氧化硅溶膠共混流延成膜，另一種方法是利用正硅酸乙酯作為前驅(qū)體在成膜過程中通過溶膠—凝膠反應(yīng)原位生成二氧化硅。電鏡圖片顯示兩種方法制備的復(fù)合膜中二氧化硅都沒有明顯顆粒結(jié)構(gòu)

6、，EDX結(jié)果顯示二氧化硅均勻分布在膜內(nèi)，但采用二氧化硅溶膠制備的復(fù)合膜在膜的一側(cè)硅含量較高。所制備復(fù)合膜的電導(dǎo)率隨二氧化硅添加量的增加，電導(dǎo)率略有上升，而含15wt％SiO2由硅溶膠制備的復(fù)合膜，其電導(dǎo)率達到0.111Scm-1。DSC測試結(jié)果表明復(fù)合膜的最大失水溫度較本體樹脂的最大失水溫度高，可以說明復(fù)合膜具有更好的保持水分的能力，表現(xiàn)出更好的保濕性。全電池性能測試表明采用硅溶膠制備的復(fù)合膜做電解質(zhì)，電池性能更好，并且在無加濕的條件下