小型自增濕自呼吸質(zhì)子交換膜燃料電池及氫源的研究.pdf

1、第三代移動(dòng)通信設(shè)備及數(shù)碼產(chǎn)品市場的大幅增長，對高性能便攜式電源提出了更高的要求。小型質(zhì)子交換膜燃料電池被認(rèn)為是其中很有潛力的一種電源。本文著眼于研制小型質(zhì)子交換膜燃料電池電堆及氫源。主要研究內(nèi)容包括：自增濕膜電極的制備及研究、氣體擴(kuò)散層的碳化改性、小型氫氣發(fā)生器的研制和小型六單體質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的研究。
　　制備了具有新型結(jié)構(gòu)的自增濕膜電極，該膜電極通過設(shè)置在催化層外圍的非活性水?dāng)U散區(qū)來實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池有效的水管理并提

2、高電池的性能。通過比較自增濕膜電極與傳統(tǒng)膜電極的極化曲線與功率密度曲線可知，自增濕膜電極最大功率密度約為85 mW/cm2，是相同條件下傳統(tǒng)膜電極最大功率密度的兩倍。研究了陽極氫氣流速、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度對自增濕膜電極性能的影響，并對水?dāng)U散區(qū)面積進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)比較了自增濕膜電極與氫氣在不同加濕狀態(tài)下的傳統(tǒng)膜電極的性能。結(jié)果表明，自增濕膜電極的性能更好。
　　本文提出了一種通過蔗糖碳化處理氣體擴(kuò)散層的方法。通過這種方法，使碳化

3、后碳均勻分布并增加碳紙的粗糙度，從而在低 PTFE載量下提高了碳紙的憎水性。蔗糖碳化溫度為400℃，碳化二次。25℃時(shí)，PTFE載量為10％的碳化處理碳紙的接觸角為137±1o。相比之下，未碳化處理碳紙?jiān)谙嗤琍TFE載量時(shí)的接觸角為125±1o。不同PTFE載量碳化處理碳紙的電子電阻率相比相應(yīng)PTFE載量的未處理碳紙下降了6～8個(gè)百分點(diǎn)。相比其他膜電極，使用PTFE載量為10%碳化處理碳紙的膜電極具有更好的電池性能。
　　設(shè)計(jì)了結(jié)

4、構(gòu)簡單、操作便捷的小型氫氣發(fā)生器。該氫氣發(fā)生器采用鋁作為原材料并與氫氧化鈉水溶液反應(yīng)制備純氫氣。研究了氫氧化鈉水溶液濃度、滴加速率和初始反應(yīng)溫度對產(chǎn)氫速率的影響。結(jié)果表明，產(chǎn)氫速率隨氫氧化鈉水溶液濃度、滴加速率及初始溫度的增加而增大。氫氧化鈉水溶液濃度為25 mass%、滴加速率為0.01 ml/min時(shí)的產(chǎn)氫速率約為38 ml/min。比較了分別用該氫氣發(fā)生器和鋼瓶提供氫氣的電池的極化性能和啟動(dòng)性能。恒電流實(shí)驗(yàn)表明，氫氣發(fā)生器的氫氣利

5、用率可達(dá)77%。
　　最后，研制了一個(gè)六單體的小型自呼吸式質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。該電堆各膜電極呈階梯狀分布，陽極氫氣內(nèi)部強(qiáng)制循環(huán)。研究了電堆的極化性能、恒電流工作性能、電流階躍工作性能、啟動(dòng)性能和長時(shí)間工作性能。為提高電堆各單體電池性能的均勻性，改進(jìn)了電堆結(jié)構(gòu)，并將氫氣發(fā)生器與電堆組合使用，實(shí)現(xiàn)了二者的結(jié)合。改進(jìn)后的電堆性能更加均勻，最大功率可達(dá)2.7 W。對電堆的使用條件進(jìn)行了研究，并將氫氣發(fā)生器與電堆聯(lián)動(dòng)工作，考察了電堆在3