基于Nafion/SiO 2 复合膜的高温质子交换膜燃料电池的性能优化研究
发布时间：2024-05-11 20:36
质子交换膜燃料电池除了具有燃料电池的一般特点(如能量转化效率高、环境友好等)外,还具有零排放,结构简单,室温快速启动等优点,特别适用于可移动动力源,是电动车和不依赖空气推进潜艇的理想候选电源之一。由于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)具有比常温质子交换膜燃料电池更好的优点,如电极反应动力学高,抗CO中毒,水热管理简单等,成为近期研究的热点。本论文在总结传统质子交换膜燃料电池性能研究的基础上,对高温质子交换膜燃料电池进行了两方面的研究。论文第一部分通过实验研究了可用于高温质子交换膜燃料电池的Nafion/SiO2复合膜的电渗系数。采用在线溶胶-凝胶法制备了不同SiO2含量的Nafion212/SiO2复合膜,基于氢泵原理在近似于质子交换膜燃料电池工作条件下测量了温度、SiO2含量、湿度、加载电流等因素对Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的影响。实验结果表明：在温度一定时,Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数随膜中SiO2含量的增加而减小；随进气相对湿度的增加而增大；在0.2-1.0A的电流范围内,复合膜电渗拖曳系数近似为常数；在相同Si02含量下,复合膜电渗...
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
前言
1 文献综述
1.1 燃料电池
1.1.1 燃料电池发展历史
1.1.2 燃料电池原理、分类
1.1.2.1 燃料电池原理
1.1.2.2 燃料电池分类
1.2 质子交换膜燃料电池
1.2.1 质子交换膜燃料电池工作原理
1.2.2 质子交换膜燃料电池组成和结构
1.3 质子交换膜燃料电池的水管理
1.4 质子传输的理论模型
1.4.1 Nafion膜的微观结构
1.4.2 质子传输的基本机理
1.5 质子交换膜电渗拖曳研究现状
1.6 高温质子交换膜燃料电池
1.6.1 高温质子交换膜燃料电池的优点
1.6.2 高温质子交换膜燃料电池的数值模拟研究现状
1.7 文献小结
1.8 本文研究思路
2 燃料电池测试系统搭建及单电池组装
2.1 实验仪器与药品
2.2 燃料电池测试系统的搭建
2.2.1 燃料电池测试系统的设计
2.2.2 测试系统的搭建
2.2.3 测试系统的调试
2.3 Nafion/SiO2复合膜的制备
2.4 膜电极的压制
2.4.1 膜电极的组成
2.4.2 膜电极的压制过程
2.5 电化学氢泵单电池组装
2.6 本章小结
3 Nafion/SiO2复合膜电渗拖曳系数的测量与分析
3.1 测试过程
3.2 结果和讨论
3.2.1 Nafion212/SiO2复合膜制备结果
3.2.2 复合膜中SiO2含量对Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的影响
3.2.3 加载电流对Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的影响
3.2.4 进气相对湿度对Nafion212/SiO2复合膜电渗系数的影响
3.2.5 电池温度对Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的影响
3.2.6 Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的经验关联式
3.3 本章小结
4 高温质子交换膜燃料电池数学模型建立
4.1 模型假设
4.2 模型求解区域
4.3 模型方程
4.3.1 质量守恒方程
4.3.2 动量守恒方程
4.3.3 能量守恒方程
4.3.4 组分守恒方程
4.3.5 电荷守恒方程
4.4 模型边界条件
4.4.1 进口处的边界条件
4.4.2 出口处的边界条件
4.4.3 流道与扩散层边界条件
4.4.4 扩散层/催化层边界条件
4.4.5 催化层/膜边界条件
4.5 Comsol Multiphysics软件介绍
4.6 本章小结
5 高温质子交换膜燃料电池性能优化研究
5.1 模型求解与验证
5.1.1 网格划分
5.1.2 模型求解
5.1.3 模型验证
5.2 计算结果与讨论
5.2.1 电池内组分分布及温度分布
5.2.2 操作条件对HT-PEMFC性能的影响
5.2.3 催化剂结构参数的影响
5.3 本章小结
结论与展望
结论
展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录
本文编号：3970349
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【学位级别】：硕士
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摘要
ABSTRACT
符号说明
前言
1 文献综述
1.1 燃料电池
1.1.1 燃料电池发展历史
1.1.2 燃料电池原理、分类
1.1.2.1 燃料电池原理
1.1.2.2 燃料电池分类
1.2 质子交换膜燃料电池
1.2.1 质子交换膜燃料电池工作原理
1.2.2 质子交换膜燃料电池组成和结构
1.3 质子交换膜燃料电池的水管理
1.4 质子传输的理论模型
1.4.1 Nafion膜的微观结构
1.4.2 质子传输的基本机理
1.5 质子交换膜电渗拖曳研究现状
1.6 高温质子交换膜燃料电池
1.6.1 高温质子交换膜燃料电池的优点
1.6.2 高温质子交换膜燃料电池的数值模拟研究现状
1.7 文献小结
1.8 本文研究思路
2 燃料电池测试系统搭建及单电池组装
2.1 实验仪器与药品
2.2 燃料电池测试系统的搭建
2.2.1 燃料电池测试系统的设计
2.2.2 测试系统的搭建
2.2.3 测试系统的调试
2.3 Nafion/SiO2复合膜的制备
2.4 膜电极的压制
2.4.1 膜电极的组成
2.4.2 膜电极的压制过程
2.5 电化学氢泵单电池组装
2.6 本章小结
3 Nafion/SiO2复合膜电渗拖曳系数的测量与分析
3.1 测试过程
3.2 结果和讨论
3.2.1 Nafion212/SiO2复合膜制备结果
3.2.2 复合膜中SiO2含量对Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的影响
3.2.3 加载电流对Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的影响
3.2.4 进气相对湿度对Nafion212/SiO2复合膜电渗系数的影响
3.2.5 电池温度对Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的影响
3.2.6 Nafion212/SiO2复合膜电渗拖曳系数的经验关联式
3.3 本章小结
4 高温质子交换膜燃料电池数学模型建立
4.1 模型假设
4.2 模型求解区域
4.3 模型方程
4.3.1 质量守恒方程
4.3.2 动量守恒方程
4.3.3 能量守恒方程
4.3.4 组分守恒方程
4.3.5 电荷守恒方程
4.4 模型边界条件
4.4.1 进口处的边界条件
4.4.2 出口处的边界条件
4.4.3 流道与扩散层边界条件
4.4.4 扩散层/催化层边界条件
4.4.5 催化层/膜边界条件
4.5 Comsol Multiphysics软件介绍
4.6 本章小结
5 高温质子交换膜燃料电池性能优化研究
5.1 模型求解与验证
5.1.1 网格划分
5.1.2 模型求解
5.1.3 模型验证
5.2 计算结果与讨论
5.2.1 电池内组分分布及温度分布
5.2.2 操作条件对HT-PEMFC性能的影响
5.2.3 催化剂结构参数的影响
5.3 本章小结
结论与展望
结论
展望
参考文献
致谢
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本文编号：3970349
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