一体式可再生燃料电池膜电极研究和初步系统设计

论文摘要

一体式可再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell,URFC)是一种以氢气为载体的先进储能技术,配合风能或太阳能等可再生能源实现自给工作,极有希望在空间、军事及可移动电源领域等重量限制场合替代传统二次电池的储能系统。本论文针对URFC膜电极工艺和流场进行了实验研究,其中膜电极工艺研究中包括催化剂的比例和操作条件之一温度以及MEA的一些制备工艺。通过对URFC双效氧电极的催化剂比例,电池操作温度和双极板流场的进行电池性能测试,然后分析双模式下工作效率找出URFC电池最优参数。论文另外一个研究内容是关于URFC电池寿命研究和实验系统初步设计。文中URFC单电池进行了WE模式下的电池寿命测试研究,包括连续测试100h和多次循环测试,并对测试后的电池进行了拆解分析。在完成URFC一些关键材料的性能与寿命的单池实验考核的基础上,提出了一套3kW一体式可再生燃料电池实验系统初步设计方案,包括电池组的基本参数(如电压、电流密度等)和实验系统流程。得到的URFC单池最优性能结果为:当电流密度为0.25 A/cm~2,Pt:Ir=3:1,温度为60℃,流场为1号混合型时,电池展现出最高的工作效率为33%。电池在水电解模式下1.7V恒压连续运行100h,电流密度衰减小于40%,并且电池多次循环测试性能相近,证明了组装电池的关键制备工艺和电池结构是合理、可行的,为后续3kW一体式可再生燃料电池实验系统开发打下了良好基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 氢能的意义
• 1.2 燃料电池概述
• 1.2.1 燃料电池的意义
• 1.2.2 燃料电池的原理及特点
• 1.2.3 燃料电池的分类及应用
• 1.3 一体式可再生燃料电池
• 1.3.1 一体式可再生燃料电池简介
• 1.3.2 一体式可再生燃料电池工作原理
• 1.4 国内外再生燃料电池研究进展
• 1.5 本论文研究内容
• 第二章 实验总述
• 2.1 化学材料和仪器
• 2.1.1 化学材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 墨水状催化剂制备
• 2.2.2 膜电极的制备
• 2.2.3 流场板设计
• 2.2.4 单电池组装
• 2.2.5 单电池性能测试
• 第三章 膜电极和流场研究
• 3.1 膜电极工艺研究
• 3.1.1 催化剂比例研究
• 3.1.2 温度影响研究
• 3.1.3 喷涂工艺
• 3.1.4 Nafion 树脂含量研究
• 3.1.5 碳纸疏水性研究
• 3.2 流场影响研究
• 3.2.1 水电解
• 3.2.2 燃料电池
• 3.3 本章小结
• 第四章 电池寿命研究和系统初步设计
• 4.1 电池寿命研究
• 4.1.1 连续测试
• 4.1.2 循环测试
• 4.1.3 膜电极变化分析
• 4.2 3kW 一体式可再生燃料电池实验系统初步方案
• 4.2.1 电堆参数
• 4.2.2 流程描述
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文