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质子交换膜燃料电池产业化制约因素研究

杨曦  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将燃料(如氢气)的化学能转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池有着起动快,高效,低污染的特点,这一特点使其成为未来移动电源及备用电源的重要候选电源。 目前,制约质子交换膜燃料电池商业化的主要是燃料电池的寿命与成本问题。质子交换膜是燃料电池的核心组件。质子交换膜的物理退化被认为是燃料电池失效的重要原因之一。而已有的研究表明,提高强度可以提高可以改善膜的耐久性。热处理是提高膜的机械性能的有效途径。但是热处理提高机械性能的机理并不清楚,而且对膜的导电性影响也令人担心。本文研究了不同热处理工艺对膜Nafion211膜机械性能及传导性能的影响。此外,本文还对质子交换膜燃料电池汽车的产业化过程进行了模拟,从资源限制的角度探讨了燃料电池关键材料对其产业化的影响。本文通过研究得到以下主要结论: (1)对Nafion膜进行120℃-160℃之间的热处理时可以提高膜的结晶度,但热处理引起的无规则热运动会破坏膜的团簇结构,从而降低膜的电导率。也就是说直接将Nafion膜进行热处理是行不通的。对Na离子修饰的Nafion膜进行220℃-240℃之间的热处理也可以改善膜的机械性能。同时,由于Na离子的引入,膜内形成强大的静电网络。在静电网络的作用下,高温热处理时膜中离子团簇发生有序化重构,使膜中侧链活动性增强。这一结构变化导致了膜电导率的提高。对Na型Nafion膜进行2h的热处理(如在240℃)可以较好的平衡膜的强度和电导率关系,同时可以使膜的溶胀应力降至膜的安全疲劳应力值附近。这为Nafion膜的热处理提供了一条有效的途径。 (2)在产业化模拟的基础上,从资源限制角度探讨了催化剂、双极板以及质子交换膜等几种PEMFC关键材料对燃料电池产业化的影响。结果表明,必须大幅度降低PEMFC铂载量到0.15mg/cm2(1100mA@/0.7V),并对铂进行合理高效的回收利用,才能满足长期产业化需求。而钛、镍、铬和萤石的资源不会对FCV产业化产生明显的影响。


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