新型空冷自增湿质子交换膜燃料电池技术研究

近年来,质子交换膜燃料电池(PEMFC)引起了交通、通信等领域的广泛关注。在终端用户方面,燃料电池的电性能和经济性是同样重要的。但是现在最先进的燃料电池尚不能满足所有的应用场合。目前自增湿技术成为燃料电池最有发展前景的技术之一,通过自增湿技术取代外增湿单元,能够降低PEMFC的成本和系统复杂性。空冷自增湿质子交换膜燃料电池由于结构简单、性能优越,在小功率电源应用领域具有非常广泛的应用前景。 本文采用高温、高压溶解—流延法制备Pt掺杂的复合质子交换膜。利用XRD、TGA、FTIR、SEM、XPS和EIS等表征方法对复合膜的尺寸稳定性、机械强度、质子电导率等性能进行考察,并对复合膜组装的单电池进行电化学性能测试。在H2/air干气操作条件下,复合膜装备的单电池表现出较好的电化学性能,最高输出功率达到520mW·cm-2,发电能力高于相同操作条件下Nafion112膜；经过1000h的长期放电测试,复合膜也表现出了较好的稳定性。 本文采用热定型CCM工艺制备了以Nafion111膜为电解质膜的薄膜膜电极(MEA)。通过对该制备工艺的优化,得到厚度为6μm的MEA。在没有任何外加湿的条件下,热定型CCM工艺比传统热压工艺制备的单电池电性能提高近20%。利用热定型CCM工艺制备的薄膜MEA电性能已经接近商业PTFE增强的MEA性能,在H2/air干气操作条件下,最高输出功率可以达到634mW·cm-2。 本文采用非对称气体扩散电极以实现PEMFC内部不同的水管理任务。通过对阴极和阳极气体扩散电极(GDE)采用不同厚度的碳纸、不同PTFE载量、增厚阳极厚度、减薄阴极厚度、提高阳极的疏水性、降低阴极的疏水性等方法,保证促进阳极保水和阴极排水,以提高电池性能。阳极PTFE含量60%、阴极PTFE含量20%的非对称型GDE组装的电池性能比PTFE含量40%的对称疏水GDE制备的PEMFC性能高5%,比商业的GDE性能高9.16%。 本文提出了一种全新结构的MEA,在每片MEA流场中增加一个加湿区域,利用尾气的水分通过膜的传递给阳极(或阴极)反应气体进行加湿。通过对膜加湿效果的测试和单电池电池性能测试发现,带有加湿区的MEA能够有效地将反应气体的相对湿度从0%提高到62.2%。当操作温度升高到60℃时,配备有加湿区的单电池性能明显高于没有加湿区的单电池的性能,且具有加湿区的单电池能够在0.5V、60℃的操作条件下稳定工作。 本文将储氢合金的放氢吸热特性和燃料电池工作放热特性有效地结合起来,实现了热量的耦合,为燃料电池内部的水管理和热管理提供了一个全新的思路。利用储氢器放氢时吸热,燃料电池利用氢气发电时放热的特点,一方面储氢器吸收了部分燃料电池的热量,能够使燃料电池的热负荷减少,从而降低电堆冷却所需功耗,提高燃料电池的发电效率,另一方面,燃料电池释放出的热量又能使得储氢合金更加稳定有效地释放出储存的氢气。这种通过结构耦合而成的新型电堆并未有过相关报道,是本文重点研究方向。采用这种新结构,制备系统结构更加紧凑,能量密度和功率密度更高的100W新型空冷自增湿PEMFC样机。