基于Nafion-SiO2復(fù)合膜的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的性能優(yōu)化研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池除了具有燃料電池的一般特點（如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等）外，還具有零排放，結(jié)構(gòu)簡單，室溫快速啟動等優(yōu)點，特別適用于可移動動力源，是電動車和不依賴空氣推進潛艇的理想候選電源之一。由于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(HT-PEMFC)具有比常溫質(zhì)子交換膜燃料電池更好的優(yōu)點，如電極反應(yīng)動力學(xué)高，抗CO中毒，水熱管理簡單等，成為近期研究的熱點。
　　本論文在總結(jié)傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池性能研究的基礎(chǔ)上，對高溫質(zhì)子交換膜燃料電池進

2、行了兩方面的研究。
　　論文第一部分通過實驗研究了可用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的Nafion/SiO2復(fù)合膜的電滲系數(shù)。采用在線溶膠-凝膠法制備了不同SiO2含量的Nation212/SiO2復(fù)合膜，基于氫泵原理在近似于質(zhì)子交換膜燃料電池工作條件下測量了溫度、SiO2含量、濕度、加載電流等因素對Nafion212/SiO2復(fù)合膜電滲拖曳系數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明:在溫度一定時，Nation212/SiO2復(fù)合膜電滲拖曳系數(shù)隨膜中Si

3、O2含量的增加而減小;隨進氣相對濕度的增加而增大;在0.2-1.0A的電流范圍內(nèi)，復(fù)合膜電滲拖曳系數(shù)近似為常數(shù);在相同SiO2含量下，復(fù)合膜電滲拖曳系數(shù)隨溫度升高而明顯的升高。最后通過數(shù)值擬合得到了溫度在323-363K，SiO2含量在0-19.8％范圍內(nèi)，Nafion212/SiO2復(fù)合膜電滲拖曳系數(shù)與電池溫度和SiO2含量的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，為基于Nation212/SiO2復(fù)合膜的質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)學(xué)模型研究提供了必要的參數(shù)。

4、>　　論文第二部分通過建立基于Nation212/SiO2復(fù)合膜的二維穩(wěn)態(tài)非等溫HT-PEMFC模型研究了電池內(nèi)的組分分布，并對高溫電池操作條件進行了優(yōu)化。高溫電池內(nèi)部的多組分流動、傳遞，電荷守恒，熱量守恒與電化學(xué)動力學(xué)的耦合采用有限元方法求解。模型預(yù)測的極化曲線與文獻中的極化曲線吻合較好。在模型有效的基礎(chǔ)上，考察了HT-PEMFC內(nèi)的組分分布和溫度分布，預(yù)測了操作條件如操作壓力、擴散層孔隙率及催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)如催化劑Pt載量對HT-PE

5、MFC性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):由于電化學(xué)反應(yīng)的消耗，沿流道方向，反應(yīng)氣體氧氣、氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小;由于陰極的放熱反應(yīng)及熱量的傳遞，沿流道方向溫度升高，在操作壓力為2atm，相對濕度為59％，電流密度為500mA cm-2時，電池溫度升高15.6K;操作壓力的升高和孔隙率的增大均有利于反應(yīng)氣體的傳質(zhì)，進而提升HT-PEMFC的性能;催化劑鉑載量的提高對電池性能的優(yōu)化也非常有利，這些模擬結(jié)果對指導(dǎo)電池材料的制備和優(yōu)化HT-PEMFC性能具有重