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质子交换膜燃料电池催化剂及低温环境适应性研究

张生生  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有结构简单紧凑、能量密度和功率密度高、可快速启动、维护方便等优点,并且运行时不产生任何污染物质,是现今最有望替代常规发电体系,用作车用动力及其它固定电源的一类清洁能源电池。 PEMFC现存主要问题在于关键材料的性能和环境适应性两个方面,围绕这两个中心,本文主要研究了电池催化剂和零度以下低温环境对电池的影响等内容。其中第一部分主要是针对催化剂方面现存问题展开的,包括材料筛选、制备工艺优化及相关测试等。研究了Pt-Au/C,Pt-Au-TiO_2/C等Pt基催化剂的制备及表征方法,以及碳化钨组分在电催化剂及催化剂载体方面的应用效果。主要的创新性结论为:由化学还原法得到Pt-Au-TiO_2/C催化剂,在循环伏安等电化学测试中显示出良好的抗CO作用;在Pt基催化剂中引入碳化钨,可对氢脱附氧化的催化过程产生一定程度的促进效应;在甲醇氧化过程中,碳化钨的添加可在低电位区域抑制甲醇对电极的毒化作用;当碳化钨用作PEMFC的催化剂载体材料时,表现出优秀的抗氧化性能。 本文中PEMFC低温环境适应性研究内容主要包括:零度以下环境中保存时电池的耐受能力、关键部件的性能变化及相应解决措施等,还测试了电拖拽加热法对电池的影响。结果显示:在零度以下环境储存时,电池内的水是导致电极结构受损及性能衰减的直接原因。用惰性气体或少量反应气体对关闭后的电池进行吹扫,可以有效去除流场中和燃料电池内部的绝大部分水分,减小冷冻—解冻循环对电池关键组件造成的机械损坏等负面影响,依靠对出口气体湿度的监控,可以确定最佳工作点,保证电池的稳定工作状态;另外,通过对PEMFC反向加压促进质子氢流动的电拖拽方法,可为电池进行快速加热,该方法应用时对放热量影响最大的因素为气体流量。该方法有望应用于PEMFC在零度以下环境的低温启动过程中。


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