王美芳[1]2006年在《直接甲醇燃料电池单电池数值模拟》文中研究说明直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接以甲醇为燃料的电化学能量转化装置，具有系统简单、比能量高、污染小、燃料便于储运等优点，DMFC是未来理想的移动电源系统之一。在当今能源危机和环境污染日趋严重的情况下，DMFC的深入研究尤为重要。 由于人们对电池内部的传质和电化学反应过程对电池性能的影响还缺乏认识，并且进行燃料电池的运行实验代价昂贵，时间较长，所以对直接甲醇燃料电池内部的传质和电化学反应过程进行数值模拟具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文以DMFC单电池为研究对象，根据传质、传热等原理建立了单电池的数学模型。模型考虑了流体流动、热量传递、电荷传递等过程。研究的区域包括阳极和阴极的流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的整个单电池。 阴极模型描述了直接甲醇燃料电池阴极氧气的传递和电化学反应过程，研究了过电位．电流密度曲线受阴极结构参数变化的影响特性。阳极模型中，描述了甲醇和水在阳极及质子交换膜中的传递过程、反应动力学和欧姆阻抗效应，并讨论了对甲醇扩散和阳极性能影响的主要因素。利用阳极和阴极模型，考虑甲醇渗透对阴极的影响，建立DMFC单电池模型，通过电压-电流密度曲线探讨影响电池性能的主要因素。单电池模型在全面考虑质子交换膜中甲醇的渗透、扩散层中气体扩散的基础上，系统地研究了各种操作条件对电池性能的影响。 研究表明催化层厚度，电池运行温度和甲醇浓度对电池性能的影响很大。结果表明催化层较薄时，随着电流密度的增大电池的活化极化会逐步增大。随着催化层厚度的增大电池活化极化会得到改善，电池性能得到提高。随着催化层厚度的进一步增大，传质阻力和欧姆阻抗的增加抵消了对活化极化的作用，电池性能提高缓慢，还可能出现下降，在电池设计过程中应综合考虑来确定催化层厚度。甲醇浓度较低时，随着电流密度的增加，传质过程受到限制，产生浓差极化。提高甲醇浓度能提高阳极催化反应的速度。甲醇浓度的提高，使甲醇渗透作用加剧，导致阴极催化剂性能的恶化，降低电池的性能。在电池运行过程中，要综合
于如军[2]2006年在《管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制》文中提出直接甲醇燃料电池(DMFC)直接将甲醇和氧气的化学能转变为电能,无须重整制氢,液体甲醇的体积能量密度高,易于携带和存储,因此DMFC特别适用于便携式电源。目前DMFC的单电池和电堆在结构上采用平板型设计,需要用昂贵的双极板作为反应物输送的流道,以及串联各个单电池向负载输送电子的通道,由于双极板的流道狭窄,需要外围设备来储存、输送反应物用于维持系统正常工作,使得DMFC电堆集成度低,不能满足便携电源的要求。双极板的使用不仅增加了电池堆的制作成本,还给系统的安装、维护带来困难,一个单电池性能下降,必须将其他电池一起拆开,重新组装。针对平板型DMFC的不足,提出了管状直接甲醇燃料电池(TDMFC)的设计概念,在考察了膜电极制备工艺对电池性能影响的基础上,选择喷涂工艺,采用平面膜进行弯曲热压制备了管状膜电极,组装了管状直接甲醇燃料电池和小电堆;为了解决管状燃料电池的密封问题,又采用多孔石英管作为支撑体,用Nafion溶液浸渍制备了管状自支撑质子交换膜,并制备了管状自支撑直接甲醇燃料电池。建立管状直接甲醇燃料电池动态模型,进行数值求解,对管状直接甲醇燃料电池运行中,反应物、产物的浓度分布和温度分布给出动态仿真结果;利用热力学参数分析了燃料电池理论效率和实际效率,对DMFC效率与电流密度等工作条件的关系进行分析。分析阴极水的来源,建立与了空气进口流量、湿度和工作电流密度有关的阴极出口水蒸气浓度动态模型,用神经网络进行系统辨识,利用神经网络预测控制器实现了对TDMFC的阴极水蒸气出口浓度的控制。本论文的主要工作:(1)在考察制备膜电极工艺的基础上,设计制造了用于平面膜制备管状燃料电池的成型夹具,选择喷涂法和弯曲热压工艺制作了TDMFC单电池,组装了一个TDMFC电堆。单电池性能为:电池的阳极催化剂载量为2 mg·cm~(-2)Pt,阴极催化剂载量为3 mg·cm~(-2)Pt-Ru,液态甲醇溶液温度为80℃时,空气自呼吸方式,电池的
贾志方[3]2008年在《碱性BH_4~-在Pt、Ni、Cu阳极上的电化学行为》文中指出以硼氢化物作为燃料电池的燃料因其高的理论电动势和比能量而引起研究者的广泛关注。理论上,硼氢根的电氧化反应为八电子反应,但在硼氢化钠直接燃料电池的工作过程中,硼氢化钠在不同的阳极上进行直接氧化反应,同时硼氢根的水解反应也在进行,氢气的生成会降低燃料的利用率,硼氢根电氧化释放出的电子数也不同。贵金属阳极有很高的催化活性,但不利于降低成本,在本文中,我们探索了廉价金属做阳极的可能性。论文首先采用循环伏安法研究NaBH_4碱性溶液在铂、镍、铜电极上的电化学行为。结果表明:在以铂、铜作工作电极时,硼氢化钠直接氧化反应可以很好的发生,并且有硫脲存在时,可以很好的抑制水解反应的发生,提高燃料的利用率。论文进一步研究了阳极材料、膜、溶液浓度对电池性能的影响,并且用线性极化方法研究了NaBH_4在铜电极上的电化学行为;实验用直接硼氢化物燃料电池(DBFC)由不同阳极、铂阴极和阳离子膜组成;结果表明,Pt电极的DBFC性能要优于Ni、Cu电极;镍电极不宜作为研究硼氢化钠直接氧化的电极材料。NRE-212膜的DBFC性能要优于CM-001膜;用铜作阳极,室温下,阳极液NaBH_4浓度2.0mol·L~(-1)、NaOH浓度2.0mol·L~(-1)时,最大电流密度和最大功率密度分别达到235mA/cm~2、46.14mW/cm~2。用恒电流法(20mA/cm~2)进行寿命测试,电压在0.6V左右稳定达50h。用扫描电镜(SEM)、EDS及X射线衍射(XRD)方法表征铜电极,结果表明,尽管实验中铜阳极表面形貌变化明显,但始终为铜的单质。
蒋高鹏[4]2012年在《基于细菌纤维素的质子交换膜的制备、表征及其在燃料电池中的应用研究》文中研究表明细菌纤维素(Bacterial Cellulose, BC)是一种由微生物发酵产生的天然高分子纳米材料,其化学本质是纤维素。相比于植物纤维素,细菌纤维素具有叁维纳米网状结构、高机械强度、高结晶度、高化学纯度、高亲水性、低气体渗透性以及良好的生物相容性等特点,使之在食品、造纸、生物医学工程、渗透汽化膜、声音振动膜等方面得到良好的应用。除此之外,细菌纤维素在质子交换膜燃料电池(PEMFC)关键材料上的应用也获得不少关注,包括催化剂、气体扩散层以及质子交换膜。然而,上述研究主要偏向于前两者,而关于细菌纤维素制备质子交换膜的研究不够系统深入。因此,本课题通过掺杂各种小分子有机酸、无机酸制备了用于PEMFC的酸掺杂细菌纤维素质子交换膜,然后采用各种方法将BC与Nafion结合制备出BC醇匀浆/Nafion混合膜和各种BC/Nafion复合膜用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。本研究首先通过比较不同的BC膜状态、掺杂酸的种类和干燥方式对成膜性的影响,优选出烘干BC膜进行掺杂处理,磷酸、植酸作为掺杂酸,采用低温干燥使浸酸后的BC膜干燥成膜。然后,本课题比较研究了磷酸和植酸掺杂BC膜的红外光谱、热失重性质、力学性能、含水率和酸掺杂水平、质子传导率等性质。最终将合适地样品与催化剂、碳纸组装并以优化过的热压条件热压形成膜电极(MEA),进而组装成单电池,进行氢氧燃料电池的发电性能测试。实验结果表明酸掺杂BC膜中磷酸、植酸与纤维素之间存在氢键相互作用,且都具有良好的热稳定性,良好的机械强度和柔韧性,合适的吸水率,较高的酸掺杂水平,较高的质子传导率。选择8M磷酸和1.6M植酸掺杂BC膜,分别采用PTFE薄片作介质、80℃、10MPa、6min和PTFE薄片作介质、80℃、6MPa、3min的热压条件制备MEA,分别最大可获得30.7mW cm-2(60℃)和20.6mW cm-2(80℃)的功率密度。本课题通过气相色谱测定了纯BC膜的甲醇渗透率,验证了具其良好的阻甲醇性,并且甲醇浓度越高阻醇效果越明显。由此,实验采用BC匀浆制备了不同比例的BC/Nafion混合膜并尝试将其应用于DMFC质子交换膜上。实验考查了BC与Nafion比例以及高温韧化处理对混合膜的红外光谱性质、热学性能(TG, DSC, DMA)、力学性能(DMA)、吸水率、质子传导率、甲醇渗透率等性质和参数的影响。实验证明BC与Nafion之间存在氢键相互作用,Nafion比例越高各个吸收峰强度越大；韧化处理使得混合膜脱水,氢键相互作用减弱；BC/Nafion混合膜为非均相共混膜,具有两个玻璃化转变过程、良好的热稳定性(低于120℃)、高的杨氏模量、较高的吸水率和质子传导率以及较低的甲醇渗透率；韧化处理后上述性质除了吸水率和甲醇渗透率显着下降之外,其他性质几乎保持不变或有稍有提高,从而使得韧化处理后的BC/Nafion混合膜选择性更高,更适合应用于DMFC。本研究进一步开发了五种方法制备BC/Nafion夹心复合膜,通过初步的实验结果和现象分析得出冻干浸泡法制备的BC/Nafion复合膜、层层自组装制备的Nafion/BC/Nafion、凝胶贴附法制备的BC/Nafion/BC夹心复合膜具有应用于DMFC的可行性,而溶剂共混法制备的BC/Nafion复合膜和匀浆流延法制备的BC/Nafion/BC夹心复合膜暂时不具备应用于DMFC的可行性
宋文帅[5]2014年在《高温PEM燃料电池阴极反应机理及电池特性试验》文中进行了进一步梳理质子交换膜燃料电池作为一种新型的能量转化装置,以其清洁、高效等特点而被认为是目前为止最有发展潜力的新型能源。目前已有一部分汽车企业将质子交换膜燃料电池应用于燃料电池车辆。高温质子交换膜燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种,具有水热容易管理等优点,但技术的不成熟成为其市场化的一个重大阻碍。提高电池性能是当今高温质子交换膜燃料电池研究的当务之急。阴极的反应始终是影响高温质子交换膜燃料电池性能的关键因素之一,因此对高温质子交换膜燃料电池阴极反应特性的研究对于提高燃料电池性能有重要的作用。为提高高温质子交换膜燃料电池的性能,本文对高温质子交换膜燃料电池进行了试验研究以及阴极反应特性的分析。本文通过阅读归纳了大量高温质子交换膜燃料电池相关文献,并结合其当前的发展趋势,首先阐述了燃料电池的产生、发展以及在历史与现在生活中的应用,介绍了高温质子交换膜燃料电池的发展现状,并对高温质子交换膜燃料电池的技术和相关理论进行了总结。之后,介绍了本实验室建立的燃料电池测试系统以及电池的组件,讨论了高温质子交换膜燃料电池的工作原理。论文加工了燃料电池流场板,采用ab-PBI膜组装了高温质子交换膜燃料电池单体,应用建立的燃料电池测试系统,测试了高温质子交换膜燃料电池的伏安特性,分析了电池温度、气体流量和电池单体组装时的预紧力对燃料电池性能的影响。通过对高温质子交换膜燃料电池受到温度、气体流量以及装置预紧力影响的测试数据的分析,发现高温质子交换膜燃料电池在453K的温度下性能最好,气体流量越大电池性能越好,并且在试验所用预紧力的范围内,电池的性能随着预紧力的增加而提升。这一发现对于高温质子交换膜燃料电池性能的改善有一定的参考作用。本文基于分子动力学和量子力学理论,利用分子模拟软件Materials Studio构建了高温质子交换膜燃料电池阴极催化剂Pt(111)截面的模型与氧分子的模型,并利用第一性原理分子动力学对模型进行了模拟。模拟过程包括:首先氧气向Pt(111)表面靠近,并产生化学吸附过程模拟,然后四个氢原子依次向吸附后的氧靠近,并依次进行电化学反应模拟。通过对模拟得到的数据分析发现:氧气吸附于Pt(111)表面所需要的时间较长;在四个氢原子和吸附在催化剂表面的氧气还原反应中,第一个氢原子的吸附所需时间最长,为氧气还原反应的决策步骤;在阴极催化剂的表面发生的氧气的还原反应中以四电子反应模式为主导模式;在模拟反应中,电池温度越高,氧气和氢气还原反应速度越快。
孟庆旭[6]2007年在《微型化学燃料电池的研究》文中认为燃料电池是一种通过电化学反应,持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置,而直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,简称DMFC)是直接利用甲醇作为阳极燃料的质子交换膜燃料电池,它无需甲醇转氢装置,具有系统结构简单、体积能量密度高、燃料补充方便、工作温度低、启动快等优点,特别适用于便携式移动电源、电动汽车以及军事、太空等。本文利用MEMS技术制造了一个微型直接甲醇燃料电池。设计、制备、组装了DMFC单电池系统,为DMFC的实用化研究迈出第一步。这个DMFC结构是通过硅的双面光刻,KOH溶液各向异性腐蚀制作而成。直接甲醇燃料电池的阳极、阴极腔体在Intellisuit软件中通过各向异性腐蚀技术被仿真出来。根据模拟结果,设计直接甲醇燃料电池的有效面积为19200μm×19200μm,然后对其性能进行测试。在常压下研究了不同温度、甲醇溶液不同浓度以及不同流速对直接甲醇燃料电池性能的影响。实验结果显示输出功率会随着温度的升高而变大,同时甲醇水溶液浓度的增加也会影响到输出功率,以溶液浓度2M最为理想。当将80℃甲醇水溶液的流速为0.8mL/min注入阳极反应腔时,这个直接甲醇燃料电池就在常压下得到了最大的输出功率3mW,此时单电池的开路电压为0.35V。
王诚, 王树博, 张剑波, 李建秋, 王建龙[7]2015年在《车用燃料电池耐久性研究》文中指出经过世界范围内近十年的持续研发,车用燃料电池在能量效率、体积与质量功率密度、低温启动等功能特性方面已经取得了突破性进展,新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近。然而,燃料电池的耐久性仍没达到商业化目标,且耐久性问题涉及面广、挑战大,成为当前燃料电池汽车产业化的主要棘手问题,构成了车用燃料电池在车辆技术方面产业化的最后障碍。车用燃料电池的耐久性已经引起了世界各国研究人员的广泛关注,本文归纳分析了车用燃料电池催化剂及其载体、质子交换膜及电极离子导体、气体扩散层、金属双极板等关键材料及部件的性能衰减机制,以及梳理了应对性能衰减的新材料、新技术与系统控制策略等耐久性最新研究进展,最后对车用燃料电池失效机制及其缓解研究提出了新的方向,以期对认识和提升燃料电池耐久性具有指导和借鉴意义。
张军, 李勇辉, 徐志斌[8]2008年在《质子交换膜燃料电池CCM膜电极》文中指出采用喷涂工艺制备了叁合一(CCM,Catalyst Coated Membrane)型质子交换膜燃料电池膜电极,研究了分散剂、催化剂、质子交换膜对膜电极性能的影响。结果表明:CCM型膜电极的放电性能好于传统热压方法制备的膜电极;乙醇、异丙醇和乙二醇等水溶液分散剂对CCM膜电极中低电流密度区放电性能影响不大,而在高电流的浓差极化控制区乙二醇最佳,而乙醇最差;优化催化剂的Pt担量和阴极催化剂的用量能够显着提高膜电极的性能,而通过减小质子交换膜的厚度,降低膜的面电阻可以进一步提高膜电极的放电性能。
张成进[9]2010年在《直接甲醇燃料电池溶胶—凝胶流动相及其传质研究》文中研究表明直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)因其突出优点,被认为是未来汽车动力和其它交通工具最有希望的化学电源。目前DMFC在商业化过程中存在的关键问题之一是在电化学反应过程中甲醇会透过质子交换膜渗漏到阴极,造成燃料的浪费和电池性能下降,因此成为国内外学者研究的热点。本课题针对液态进料DMFC中存在的甲醇渗漏问题,从改变DMFC燃料形态着手,首次提出采用溶胶-凝胶法制备富含甲醇硫酸的溶胶-凝胶流动相取代传统的液体流动相的解决方案。课题首先对溶胶-凝胶流动相的制备工艺及配方进行了探索,研制了既满足燃料电池使用要求且性能稳定的溶胶-凝胶流动相。质子电导率测试结果表明,溶胶-凝胶流动相的电导率与液体流动相的电导率相当,说明其质子导电能力良好。甲醇渗漏率测试结果表明,溶胶-凝胶流动相的甲醇渗漏率与液体流动相相比下降了约90%,说明其阻醇性能良好。针对溶胶-凝胶流动相粘度较大,不适用于传统的带复杂流道的平板型DMFC的特点,本文设计了适用于溶胶-凝胶流动相的管状阴极异型直接甲醇燃料电池(Special-shaped Direct Methanol Fuel Cell,SDMFC),并研究了溶胶-凝胶流动相SDMFC的放电性能。对溶胶-凝胶流动相SDMFC的阻抗特性进行了研究,因结构限制,其阻抗值达到数欧姆,比文献报道的平板型DMFC稍大。以极化曲线和功率密度曲线为研究手段,对阴极支撑体壁厚、电池工作温度、氧气流量、阴极扩散层载量及溶胶-凝胶流动相粘度等因素对SDMFC放电性能的影响进行了研究,得到了SDMFC结构和运行参数的最佳值。通过优化实验参数,制备的溶胶-凝胶流动相SDMFC最高功率密度可达11.5mW/cm2。对溶胶-凝胶流动相SDMFC的放电稳定性进行了研究,长达10小时的放电实验显示SDMFC电压变化幅度较小,总体性能稳定。在对甲醇、水、质子及电子在溶胶-凝胶流动相SDMFC中的传质过程进行研究的基础上,建立了垂直于膜电极方向的一维模型。模型描述了甲醇和水在阳极中的传质过程,包括甲醇在溶胶-凝胶流动相、阳极扩散层、催化层和Nafion膜中的扩散,水在催化层和Nafion膜中的扩散,甲醇在催化层中的电化学氧化反应以及H+、e-的传导过程。
王龙[10]2014年在《高温质子交换膜燃料电池宏观传质及电池特性试验》文中研究说明质子交换膜燃料电池是近年来备受关注的一种能够为燃料与氧化剂提供反应场所,将燃料中的化学能直接转化为电能新型能源转换装置,它具有能量转换效率高、绿色环保等优点。本文主要研究对象为高温质子交换膜燃料电池,其不但具有上述质子交换膜燃料电池的优点,还因为其较高的工作温度简化了燃料电池生成水的管理、催化剂受CO中毒影响较小、燃料无需进行加湿处理等优点。成功地解决了常温质子交换膜燃料电池的诸多弊端,使其成为现今研究的热点。虽然高温燃料电池拥有诸多优点,但是因其成本太高,对环境变化的适应度低,使用寿命较传统装置较短等因素,而不能进行普遍地推广应用,这是燃料电池领域急需科研人员突破的瓶颈。论文在阅读大量有关高温质子交换膜燃料电池资料及有关文献的基础上,归纳和总结了高温燃料电池的工作原理、优点及用途,详细介绍了高温质子交换膜燃料电池的关键零部件和电池内传热传质的理论基础。论文搭建高温质子交换膜燃料电池测试系统,并对高温质子交换膜燃料电池的性能进行了相关的测试。论文构建高温质子交换膜燃料电池数学模型并进行相关模拟分析。论文制备了叁种酸化时掺杂不同体积分数的硫酸的PBI膜,并将叁种膜分别装入燃料电池中,分别对叁种PBI膜组成的高温燃料电池的性能进行了测试,对比分析了由硫酸含量不同引起的差异。通过扫描电子显微镜及叁维显微镜对经试验使用之后的PBI膜及高温碳纸进行相关的扫描并拍摄照片进行对比分析。试验结果发现:随着硫酸掺杂量的增加,高温燃料电池的性能逐渐衰退;电池的欧姆阻抗及法拉第阻抗均有所增大;随着硫酸掺杂量的增加,电池的最佳操作温度不再是随着工作温度的升高而升高;同时经过电子显微镜照片对比看出,硫酸含量越高,高温碳纸上的催化剂聚集现象越严重,影响了高温燃料电池的性能。论文在前人研究的常温质子交换膜燃料电池构建的数学模型基础之上,根据高温质子交换膜燃料电池的特性,构建了二维单相传质模型。模拟了高温燃料电池在不同的工作温度、不同的扩散层空隙率下的电流密度及电池阴极的反应物和生成物浓度分布。模拟结果显示:通过提高电池工作温度可以促进阴极中氧气的消耗与水蒸气的生成,氧化反应产生的电子也会相应增加;通过增大扩散层的孔隙率,可以加快气体流通的速度,阴极中生成的水蒸气浓度有所降低,有利于生成物的排出,促进反应的进行,使氧化还原反应产生的电流密度有所提高。模拟结果对优化高温质子交换膜燃料电池结构和提高膜电极性能等方面具有重要作用。
参考文献：
[1]. 直接甲醇燃料电池单电池数值模拟[D]. 王美芳. 山东大学. 2006
[2]. 管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制[D]. 于如军. 上海交通大学. 2006
[3]. 碱性BH_4~-在Pt、Ni、Cu阳极上的电化学行为[D]. 贾志方. 太原理工大学. 2008
[4]. 基于细菌纤维素的质子交换膜的制备、表征及其在燃料电池中的应用研究[D]. 蒋高鹏. 东华大学. 2012
[5]. 高温PEM燃料电池阴极反应机理及电池特性试验[D]. 宋文帅. 沈阳建筑大学. 2014
[6]. 微型化学燃料电池的研究[D]. 孟庆旭. 黑龙江大学. 2007
[7]. 车用燃料电池耐久性研究[J]. 王诚, 王树博, 张剑波, 李建秋, 王建龙. 化学进展. 2015
[8]. 质子交换膜燃料电池CCM膜电极[J]. 张军, 李勇辉, 徐志斌. 电源技术. 2008
[9]. 直接甲醇燃料电池溶胶—凝胶流动相及其传质研究[D]. 张成进. 南通大学. 2010
[10]. 高温质子交换膜燃料电池宏观传质及电池特性试验[D]. 王龙. 沈阳建筑大学. 2014
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