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《哈尔滨工业大学》 2006年
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自增湿质子交换膜燃料电池研究

杨涛  
【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。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TM911.4

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