小型自增湿自呼吸质子交换膜燃料电池及氢源的研究

论文摘要

第三代移动通信设备及数码产品市场的大幅增长,对高性能便携式电源提出了更高的要求。小型质子交换膜燃料电池被认为是其中很有潜力的一种电源。本文着眼于研制小型质子交换膜燃料电池电堆及氢源。主要研究内容包括:自增湿膜电极的制备及研究、气体扩散层的碳化改性、小型氢气发生器的研制和小型六单体质子交换膜燃料电池电堆的研究。制备了具有新型结构的自增湿膜电极,该膜电极通过设置在催化层外围的非活性水扩散区来实现质子交换膜燃料电池有效的水管理并提高电池的性能。通过比较自增湿膜电极与传统膜电极的极化曲线与功率密度曲线可知,自增湿膜电极最大功率密度约为85 mW/cm2,是相同条件下传统膜电极最大功率密度的两倍。研究了阳极氢气流速、环境温度和环境相对湿度对自增湿膜电极性能的影响,并对水扩散区面积进行了优化。实验比较了自增湿膜电极与氢气在不同加湿状态下的传统膜电极的性能。结果表明,自增湿膜电极的性能更好。本文提出了一种通过蔗糖碳化处理气体扩散层的方法。通过这种方法,使碳化后碳均匀分布并增加碳纸的粗糙度,从而在低PTFE载量下提高了碳纸的憎水性。蔗糖碳化温度为400℃,碳化二次。25℃时,PTFE载量为10 %的碳化处理碳纸的接触角为137±1o。相比之下,未碳化处理碳纸在相同PTFE载量时的接触角为125±1o。不同PTFE载量碳化处理碳纸的电子电阻率相比相应PTFE载量的未处理碳纸下降了6~8个百分点。相比其他膜电极,使用PTFE载量为10 %碳化处理碳纸的膜电极具有更好的电池性能。设计了结构简单、操作便捷的小型氢气发生器。该氢气发生器采用铝作为原材料并与氢氧化钠水溶液反应制备纯氢气。研究了氢氧化钠水溶液浓度、滴加速率和初始反应温度对产氢速率的影响。结果表明,产氢速率随氢氧化钠水溶液浓度、滴加速率及初始温度的增加而增大。氢氧化钠水溶液浓度为25 mass%、滴加速率为0.01 ml/min时的产氢速率约为38 ml/min。比较了分别用该氢气发生器和钢瓶提供氢气的电池的极化性能和启动性能。恒电流实验表明,氢气发生器的氢气利用率可达77 %。最后,研制了一个六单体的小型自呼吸式质子交换膜燃料电池电堆。该电堆各膜电极呈阶梯状分布,阳极氢气内部强制循环。研究了电堆的极化性能、恒电流工作性能、电流阶跃工作性能、启动性能和长时间工作性能。为提高电堆各单体电池性能的均匀性,改进了电堆结构,并将氢气发生器与电堆组合使用,实现了二者的结合。改进后的电堆性能更加均匀,最大功率可达2.7 W。对电堆的使用条件进行了研究,并将氢气发生器与电堆联动工作,考察了电堆在300 mA与700 mA工作时的性能。

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概述
• 1.2.1 燃料电池发展历程及工作原理
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的特点及应用前景
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池电极材料及组件
• 1.3 自增湿质子交换膜燃料电池的研究进展
• 1.3.1 自增湿膜电极
• 1.3.2 复合自增湿膜
• 1.3.3 自增湿流场结构设计
• 1.4 气体扩散层的研究进展
• 1.4.1 气体扩散层的作用及制备方法
• 1.4.2 气体扩散层的研究概况
• 1.4.3 气体扩散层的表征方法
• 1.5 小型质子交换膜燃料电池电堆及氢源的研究进展
• 1.5.1 小型质子交换膜燃料电池的应用领域
• 1.5.2 小型质子交换膜燃料电池电堆及氢源的研究进展
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验材料和仪器设备
• 2.1.1 制备膜电极的基本材料
• 2.1.2 化学试剂及材料
• 2.1.3 实验所用气体
• 2.1.4 仪器设备
• 2.2 气体供给及电池测试系统
• 2.2.1 气体供给系统
• 2.2.2 电池测试系统
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 自增湿膜电极的制备及测试
• 2.3.2 碳化改性气体扩散层的研究方法
• 2.3.3 氢气发生器的制作与测试
• 2.3.4 电堆的制作及测试
• 第3章 自增湿膜电极的研究
• 3.1 自增湿膜电极水管理设计
• 3.2 自增湿膜电极的性能研究
• 3.2.1 自增湿膜电极与传统膜电极性能比较
• 3.2.2 自增湿膜电极影响因素的研究
• 3.3 自增湿膜电极水管理能力的评价
• 3.3.1 自增湿膜电极与氢气加湿传统膜电极的性能研究
• 3.3.2 水扩散区面积对自增湿膜电极水扩散能力的影响
• 3.3.3 膜的厚度对自增湿膜电极性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳化改性气体扩散层的研究
• 4.1 气体扩散层传统处理方法
• 4.2 碳化处理气体扩散层的研究
• 4.2.1 碳纸碳化方法
• 4.2.2 碳化碳纸实验结果
• 4.2.3 不同PTFE 载量碳化碳纸的研究
• 4.3 电池性能研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 小型氢气发生器的研制
• 5.1 氢气发生器制氢原理及装置
• 5.1.1 制氢原理
• 5.1.2 制氢装置
• 5.2 小型氢气发生器的设计与制作
• 5.2.1 第一套氢气发生器的设计与制作
• 5.2.2 第二套氢气发生器的设计与制作
• 5.2.3 第三套氢气发生器的设计与制作
• 5.3 制氢反应条件优化及影响因素分析
• 5.3.1 铝条的选择与产物形态
• 5.3.2 影响产氢速率的因素
• 5.4 电池性能测试
• 5.4.1 极化性能测试
• 5.4.2 启动性能测试
• 5.4.3 恒电流工作性能测试
• 5.5 反应产物的回收利用
• 5.6 本章小结
• 第6章 电堆的研究
• 6.1 电堆的结构
• 6.1.1 电堆气体供给及基本结构
• 6.1.2 电堆各组件结构
• 6.2 电堆性能测试结果与分析
• 6.2.1 电堆极化性能
• 6.2.2 电堆恒电流运行性能
• 6.2.3 电堆电流阶跃运行性能
• 6.2.4 电堆启动性能
• 6.2.5 电堆温度变化
• 6.2.6 空气湿度对电堆性能的影响
• 6.2.7 电堆恒电流长时间运行性能
• 6.3 电堆的改进
• 6.3.1 改进电堆极化性能及功率特性
• 6.3.2 改进电堆恒电流工作特性
• 6.3.3 改进电堆电流阶跃工作特性
• 6.3.4 空气湿度对改进电堆性能的影响
• 6.3.5 改进电堆长时间运行性能
• 6.4 电堆与氢气发生器联动工作性能
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历