硼氢化钠水解制氢-小型质子交换膜燃料电池一体化研究

摘要

前能源危机越来越严重，硼氢化钠水解制氢为PEMFC 供氢的体系研究越来越受青睐，尤其是对硼氢化钠水解催化剂、质子交换膜燃料电池的催化剂研究以及电池堆研究，本论文主要对硼氢化钠水解催化剂的制备、质子交换膜燃料电池的膜电极制备条件以及性能优化和电池堆组装的关键材料、气体流场板的类型和工艺参数优化和硼氢化钠水解制氢－质子交换膜燃料电池发电一体化的应用方面进行研究。
　　 1、本论文采用微乳法合成的负载型30％Ru－Co/C 和Ru－Ni/C 催化剂，金属粒子物质的量比均为1：1，通过XRD 和SEM-EDX 等手段标征、实际实验效果对比和对硼氢化钠水解机理的分析，并运用Scherrer 公式的计算其粒径大都分布在8.6nm 左右，由XRD 图谱得出Ru 元素和Ni、Co 元素形成了完美的RuCo 相和RuNi 相；由SEM-EDX 得出催化剂中金属粒子物质的量比均为1：1 等各方面都符合本实验要求。并通过实验结果进行比较发现在同样条件下Ru－Co 合金的催化性能比Ru－Ni 合金的催化性能好。
　　 2、本论文采用还原－微波法合成的负载40％的Pt/C 电催化剂，通过XRD 进行表征得出颗粒粒径的大小为3nm，又通过把制得催化剂制成催化层组装成电池测试得出，该方法制备的催化剂电化学性能好，完全适合作为质子交换膜燃料电池电极的催化层；通过对膜电极进一步研究得出在压制膜电极的时候温度在130℃，压力在4－6MPa，热压时间为120s 的时候，催化剂的负载量为0.6mg/cm2,制得的膜电极性能最好；当氢气流量在1.2SLM的时候膜电极的性能最好，功率密度可以达到0.2W/cm2。本文在对气体直型流场和蛇型流场研究的时候，发现在低电流的时候两种流场性能相近，在高电流的时候，直型流场的性能远比蛇形流场的性能好；另外，在低电流的条件下，阴极流场板薄的性能比厚的好；但是，在高电流的条件下，阴极流场板厚的性能要薄的好；在相同的有效面积的流场板的条件下，流场板窄的性能要比宽的好。通过组装电堆进行测试,电池堆的稳定性、电池堆的性能都能达到预期要求。为降低质子交换膜燃料电池的成本，加快其产业化步伐，奠定了通过对硼氢化钠水解制氢－质子交换膜燃料电池一体化体系的研究，得出了其达到最佳工作性能的条件是，按在180ml 的20％的NaBH4、3％的NaOH 和77％的H2O 的混合溶液中加入0.16g 催化剂的比例，加反应液，待水解反应进行20 分钟左右便可以驱动玩具车和小风扇来进行演示实验。