质子交换膜燃料电池设计与综合优化研究

发布时间：2020-10-11 04:02

　　 质子交换膜燃料电池中两个主要类别,直接甲醇燃料电池与氢氧燃料电池在各自的领域都是新兴型能源装置中的强力竞争者。直接甲醇燃料电池燃料储存便利,对于燃料的补充没有任何技术或安全性门槛,适用于各种便携电子器件。而氢氧燃料电池是目前汽车动力领域唯一的锂电竞争者。本论文针对直接甲醇燃料电池堆结构常见多发的密封体系不安定问题进行了多方面的改进设计,并从结构机制上缓解甚至避免了这些问题。对所设计的电堆进行了加工制造和测试,验证了设计思路的有效性。在解决了电堆问题后,通过对大量极化曲线实验数据进行电极动力学控制方程的参数拟合,建立了试算结果与实验数据高度相符的三维数值模型。通过三维数值模型进行了5因素4水平的操作参数优化正交实验,采用正交实验的优选参数组合使电池测试性能提高了 10%。通过包含166次运行,累计有效寿命达3135.7小时的燃料电池长期运行测试,及运行过程中的多种性能损失行为监测研究发现,燃料电池有效寿命控制因素在不同运行阶段差别较大,发生阶段性失效现象的原因也各不相同。在单次运行过程中,合理加大阴极侧氧气压强可以实现催化剂活性的提高和传质通道的改善,从而提高燃料电池的有效寿命。Rohm在55℃运行温度阶段增加较快,这说明较低的温度下的性能损失主要来自于膜的质子传导率损失。实施质子恢复方案和提高运行温度可以有效缓解Rohm的暂时性增加,恢复燃料电池的性能。随着燃料电池的运行时间增加,阴极水淹现象会逐渐严重,在较高温度对传质能力的影响尤为突出,导致严重的浓差极化。采用阴极通入氮气作为应对传质能力暂时性下降的恢复方案可以有效恢复燃料电池因阴极水淹造成的性能损失。而催化剂的活性损失属于永久型性能损失,最终导致燃料电池的失效。总的来说,造成燃料电池性能衰减的控制因素随运行阶段不同而有较大差别,明确运行条件与不同性能损失行为之间的关系,合理实施恢复方案,能够有效提高DM-PEMFC的有效寿命。为解决膜电极制备稳定性不足,不合格品危害大又难以在装配测试前检出的问题,设计了膜电极无损检测设备,并进行了检测方案论证,达到了 16片同批次膜电极中3片不合格品提前100%检出且不对正常膜电极性能产生任何不利影响的目的。在膜电极无损检测技术的保障下,进行了多因素寿命预测方案研究。通过对极化曲线数据进行电化学活化过电位、欧姆过电位和浓差过电位的拆分,提取了三个独立变化的寿命影响因素,并研究和分析了基于这三个因素的寿命预测方案。相对于传统的平均衰减率外推法,此方案更能反映实验数据中隐藏的电极动力学变化趋势,对于50%性能损失寿命的预测结果与实验数据相比误差小于4%。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM911.4
【部分图文】：

２．１燃料电池概述??燃料电池是通过化学反应发电的能量转换装置，具有阳极和阴极两个电??极。如图２－１所示电极是发生电化学反应的场所，每个电极上有都促使电化??学反应更容易发生的催化剂，而电化学反应产生的带电粒子将通过电解质到??达相对的另一个电极，同时电子通过外电路形成电流，驱动外电路所连接的??负载电子设备工作，该电流最终返回燃料电池，完成电路。产生电流的电化??学反应是决定燃料电池工作特性的关键。??Ｌｏａｄ???????Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｆｕｅｌ?＾???Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｏｘｉｄａｎｔ?ａｎｄ??ｏｕ＾ｕｔ?’一?珍?＾?ｐｒｏｄｕｃｅｓ?ｏｕｔｐｕｔ??＾ＩＨＴ７??Ｈｉ－ｅ］??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??图２－１燃料电池工作原理示意图Ｗ??氢和氧是维持燃料电池工作的基本燃料。燃料电池的一个巨大吸引力在??于用于发电的大部分氢和氧最终结合在一起形成无污染的水。然而单个燃料??电池产生较小的输出电压，这使得许多燃料电池通常需要堆叠组装成如图２??所示的电堆使用。??ＣＵｉｍｐｉｎｆ?ｐＵｔｅ??Ｉ?Ｇａｓｋｔｔ??＇?Ｂｉｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ??Ｗ?ＭＥＡ?ｗｉｔｈ?Ｇ？ｓｋｃｔ??图２－２燃料电池单池堆叠成电堆结构示意图ｌ７］??－２－??

２．１燃料电池概述??燃料电池是通过化学反应发电的能量转换装置，具有阳极和阴极两个电??极。如图２－１所示电极是发生电化学反应的场所，每个电极上有都促使电化??学反应更容易发生的催化剂，而电化学反应产生的带电粒子将通过电解质到??达相对的另一个电极，同时电子通过外电路形成电流，驱动外电路所连接的??负载电子设备工作，该电流最终返回燃料电池，完成电路。产生电流的电化??学反应是决定燃料电池工作特性的关键。??Ｌｏａｄ???????Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｆｕｅｌ?＾???Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｏｘｉｄａｎｔ?ａｎｄ??ｏｕ＾ｕｔ?’一?珍?＾?ｐｒｏｄｕｃｅｓ?ｏｕｔｐｕｔ??＾ＩＨＴ７??Ｈｉ－ｅ］??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??图２－１燃料电池工作原理示意图Ｗ??氢和氧是维持燃料电池工作的基本燃料。燃料电池的一个巨大吸引力在??于用于发电的大部分氢和氧最终结合在一起形成无污染的水。然而单个燃料??电池产生较小的输出电压，这使得许多燃料电池通常需要堆叠组装成如图２??所示的电堆使用。??ＣＵｉｍｐｉｎｆ?ｐＵｔｅ??Ｉ?Ｇａｓｋｔｔ??＇?Ｂｉｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ??Ｗ?ＭＥＡ?ｗｉｔｈ?Ｇ？ｓｋｃｔ??图２－２燃料电池单池堆叠成电堆结构示意图ｌ７］??－２－??

步提高系统效率，这使得燃料电池在从燃料中提取能量方面具有更高的理论??效率。??碱性燃料电池（ＡＦＣ）工作原理如图２－３所示，在通入压缩氢气和氧气??的条件下运行，通常使用氢氧化钾水溶液作为电解质，工作温度为２０￣８０°Ｃ。??电池输出范围从３００?Ｗ？５?ｋＷ。在美国宇航局的阿波罗计划中曾使用碱性电??池来为宇航仓提供电力和饮用水。然而，液态的水溶液电解质使其存在电解??液泄露的风险，同时催化剂利用率也较低。??Ａｌｋａｌｉ??Ｆｕｅｌ?Ｃｅｌｌ??Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?一＾?▲?—＾??Ｆｌｗ??Ａ／＼Ａｙ???卞?Ｌ〇ｄｄ?４??Ｈｙｄｒｏｇｅｎ?［？?〇ｔ?｜?愈會?＾ｂｌ＇ｌ〇＊ｖＢｅｎ??°?＾＿?ｔｏｎｓ??衂００６?Ｅｌｅａｒｏｙｔｏ??图２－３?ＡＦＣ工作原理示意图丨８】??－３－??
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本文编号：2836035