自增湿质子交换膜燃料电池研究

论文摘要

燃料电池的具有比能量高,比功率高,对环境无污染等突出优点,越来越为人们所重视。其中,质子交换膜燃料电池的工作温度较低,启动迅速,规模可大可小,其相关技术的研究也极为活跃。本文综述了燃料电池技术的概况,着重介绍了双极板及自增湿技术的研究进展,对模压法制备双极板所用原料、工艺,不增湿操作燃料电池内水分布情况,及电堆串联供气的可行性进行了研究,设计了自增湿燃料电堆结构,并考察了操作条件对自增湿电堆运行的影响。使用模压法制备了碳-聚合物双极板,以中间相碳微球及聚苯硫醚为主要原料,400℃以下模压出双极板。分别测试了双极板的密度、电阻率、弯曲强度、防渗透性,并通过扫描电镜观察双极板的截面微观形貌。研究结果表明,所制得的双极板性能良好,易于成型,极具有发展潜力。在制作工序中,原料混合的均匀程度是影响双极板性能的关键工艺步骤,对双极板结构的均匀性影响很大。使用实验室自制的液态水收集装置研究了燃料电池内液态水的分布情况。与常规尾气集水法的不同在于,液态水收集法可以直接对电池内阴极多余的液态水进行定量研究,也可以对阳极定量补水。可以很直观地对不增湿操作电池两极水分布及运动情况进行研究。为燃料电池自增湿研究提供有力的实验依据。实验结果表明,阳极缺水,水通过玻璃纤维束调储水器内水到达阳极,阴极水多余,水通过玻璃纤维束流到储水器内。阴极储水器收集水量接近电化学生成的水量与阳极补给水量之和。利用三个单体电池组成的电堆,研究了串联供气的可行性。与常规电堆结构的不同在于,相邻电池之间是阶梯状排列,前一节电池流出的反应气体,进入下一节电池。同一块双极板两侧的流场交错开排列,这样的设计使得电池的温度不会升得过高。实验考察了气体循环流量,供气量对电池性能的影响。结果表明,阳极氢气可以串联方式供气,气体的循环操作对电池性能有所影响,但影响不大。阴极以氧气供气时,可以串联方式供气,气体的循环及供气量对电池的性能影响很大,这是由于不加湿操作电池的水在阴极生成并积累。当以空气为阴极反应气时,气体循环对电堆进气口处氧气浓度影响很大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 质子交换膜燃料电池及其供电系统概述
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的热力学及动力学性质概述
• 1.2.3 PEMFC 系统概述
• 1.2.4 PEMFC 材料与零部件
• 1.3 质子交换膜燃料电池双极板研究进展
• 1.3.1 石墨双极板研究状况
• 1.3.2 碳聚合物双极板研究现状
• 1.3.3 金属双极板现状
• 1.4 燃料电池内部水管理研究进展
• 1.4.1 燃料电池增湿的重要性概述
• 1.4.2 水在质子交换膜燃料电池中的传递机理
• 1.4.3 质子交换膜燃料电池膜增湿技术研究进展
• 1.4.4 燃料电池自增湿研究进展
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 实验方法与仪器
• 2.1 双极板制作
• 2.1.1 原材料预处理
• 2.1.2 双极板的压制
• 2.1.3 双极板性能测试
• 2.2 气体供给方案
• 2.2.1 供气系统
• 2.2.2 燃料气的供应及循环方案
• 2.3 电极制备
• 2.3.1 质子交换膜预处理
• 2.3.2 膜电极三合一制备
• 2.3.3 碳载铂催化剂制备
• 2.3.4 电极扩散层制备
• 2.3.5 电极催化层制备
• 2.3.6 膜电极三合一热压工艺
• 2.4 实验药品和仪器设备
• 2.4.1 实验所用仪器
• 2.4.2 实验所用气体
• 2.4.3 实验药品
• 第3章 燃料电池用新型复合材料双极板研制
• 3.1 引言
• 3.2 新型复合双极板所用原料及制备过程
• 3.2.1 中间相炭微球概述
• 3.2.2 聚苯硫醚概述
• 3.2.3 双极板的制备
• 3.3 双极板的物性测试及结果分析
• 3.3.1 双极板的密度
• 3.3.2 双极板的电阻率
• 3.3.3 双极板的防渗透性能
• 3.3.4 弯曲强度
• 3.3.5 双极板的形貌观察
• 3.4 新型复合材料双极板的经济分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 自增湿电池水分布研究
• 4.1 引言
• 4.2 液态水收集实验设计
• 4.2.1 集流体的结构
• 4.2.2 端板结构
• 4.2.3 导水纤维的铺设
• 4.3 测试及结果分析
• 4.3.1 玻璃纤维束的导水及吸水能力
• 4.3.2 液态水收集实验
• 4.3.3 纤维束对装置放电稳定性的影响
• 4.3.4 氧气排放量对装置放电的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 串联供气设计与评价
• 5.1 引言
• 5.2 串联电池组系统设计
• 5.2.1 电堆结构设计
• 5.2.2 控温箱设计
• 5.3 测试结果及分析
• 5.3.1 阴极供气方案分析
• 5.3.2 供气量对电池性能影响
• 5.3.3 气体循环对电池性能影响
• 5.3.4 采用空气作氧化剂对电池性能影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 自增湿燃料电池电堆设计
• 6.1 引言
• 6.2 自增湿电堆设计
• 6.2.1 电堆结构设计
• 6.2.2 自增湿电极设计
• 6.2.3 电堆加工及组装
• 6.2.4 电堆参数
• 6.3 测试结果及分析
• 6.3.1 氢气循环对电池影响
• 6.3.2 电堆的输出功率
• 6.3.3 氢气压力对电池影响
• 6.3.4 电池的温度特性
• 6.3.5 电池的启动特性
• 6.3.6 氢气排放对电池影响
• 6.3.7 电池工作电压的稳定性
• 6.4 自增湿电极结构的经济分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历