质子交换膜燃料电池是一种直接将氢气与氧气中的化学能通过电化学反应转化为电能的能量转换装置,具有能量效率高、清洁、启动快、工作温度低等优点,在交通运输、便携式电源、固定发电、应急备用电源等领域具有广阔的应用前景。其中,阴极开放结构的空冷质子交换膜燃料电池中无需增湿和空压机等部件,具有结构简单、便于维护等特点,非常适合用作便携电源和应急电源。在阴极开放结构的电池中空气既作为反应物又作为冷却介质,对电池的输出性能和长期工作的稳定性具有至关重要的影响。本文通过优化电堆结构设计、电解质和电极结构等参数开展工作,提高阴极开放式质子交换膜燃料电池的放电性能和稳定性。主要研究内容如下:(1)设计并组装一个千瓦级阴极开放式质子交换膜燃料电池电堆。测试了放电过程中电堆的整体放电性能和对应的单电池状态,以及电堆内温度的分布和空气流速的分布。结果表明,电堆内部温度和原料气体的流速具有较大的差异,在正常工作时电堆内各个电极工作区域温差达到12℃以上,而空气流速的差异最高达到65%以上,导致电堆内部不同单电池放电一致性较差,降低电堆整体的性能和稳定性。电堆内温湿度、空气流速等物理量互相影响,增加了在电堆测试中评价内部膜电极实际性能的难度。(2)在电堆的研究基础上,发展了一种基于单电池测试的膜电极表征方案,可以稳定且系统地研究膜电极结构在阴极开放式电堆运行工况下的性能表现,并能够针对性地研究膜电极中的某一个具体因素对性能的影响。尝试使用厚度分别为25微米和50微米的Nafion211和Nafion212电解质膜制备膜电极进行电池测试,结果表明Nafion211膜的电池性能比Nafion212膜更高,且能够承受高温低湿的苛刻工作条件,在温度和空气流速的大范围波动下能在800 mA.cm-2的放电状态较为稳定地运行,而Nafion212膜不适合用在55℃以上的空冷工作环境。(3)考察了膜电极各关键材料,通过制备不同工艺、催化层结构、扩散层结构和电解质膜的膜电极,对比评价各个因素对膜电极性能的影响。结果显示,在高温低湿的工作条件下,膜电极的保水能力是影响电池性能和稳定性的关键因素;薄层电极结构比传统的电极结构更适合阴极开放式电堆使用,在55℃、0.6 V电压下放电电流分别为527 mA.cm-2和334 mA.cm-2;不同催化剂的电池性能对比中,高载量催化剂如60%Pt/C表现出最好的综合性能;通过提高炭含量增加气体扩散层的微孔层厚度后,电池的放电性能和稳定性均有明显提高,含有2 mg.cm2炭载量微孔层的气体扩散层在60℃、0.62 V工作电压下放电电流达到800 mA.cm-2;使用更薄的Nafion/PTFE复合质子交换膜也能进一步提高电池的放电性能和稳定性。