μDMFC阴极催化剂载体润湿特性对其性能影响研究
发布时间：2021-07-11 07:37
在能源问题备受关注的当今,更高效、更环保、更便携、结构简单、能源易得的微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC）凭借其种种优势成为社会各界广泛研究的对象。但在实现μDMFC商业化的道路上仍有重重阻碍,如燃料电池系统水管理问题,催化剂催化活性问题等。本文研究围绕阴极催化层的润湿特性展开,通过建立二维传质模型对阴极催化层结构给μDMFC性能造成的影响进行理论研究,并制备具有不同结构的阴极催化层,通过实验的方式对其在电池系统中的影响进行测试和分析。本文建立μDMFC二维两相传质数学模型,对电池内部传质情况进行了分析,并进一步验证阴极催化层结构对电池传质情况带来的影响。根据仿真结果可知,呈亲水性的阴极催化层可以抑制水的渗透现象,降低阴极扩散层内水的浓度,有利于氧气的传质,同时可以减少甲醇渗透;另一方面,孔隙率较小的阴极催化层结构可以抑制水和甲醇的渗透,改善μDMFC的水管理问题。在理论仿真的基础上,本文制备了具有亲水特性的氮掺杂碳材料,XPS测试结果表明200℃下烧制的碳材料具有最高的氮含量;以润湿特性不同的碳粉和氮掺杂碳材料为载体制备铂...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
阴极水淹现象示意图[7]
的影响[25]。通过DMFC的两相传质模型，研究人员可以通过模型仿真清晰的得到电池内部液态水的分布情况和传质情况，这有利于对DMFC水管理情况进行分析和研究。阴极反应生成、水的渗透和甲醇的渗透使得液态水大量聚集在阴极内部，如果不能及时排出，便会造成水淹。因此研究人员通过改善质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层的结构来实现水管理，即设法让阴极内部的水从流道排出或穿过质子交换膜返还回阳极[26]。邓慧超分析了电池的水管理情况，分别对阴极催化层、气体扩散层和阴极集流板三个燃料电池基本结构进行了改进，其中如图1-2所示的“十字型”阴极集流板结构使阴极的排水能力得到提升，从而改善了燃料电池的性能[27]。图1-2“十字型”阴极集流板模型几何图[27]何洪建立了μDMFC二维两相模型，仿真结果证明当阴极内部液体压强超过阳极时，液态水会实现由阴极到阳极的反向传输，使燃料电池的性能和稳定性得到提升[28]。张曙斌设计了一种新型膜电极，通过建立模型分析该结构对电池内部传
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-质情况的影响，结论是带有吸水层的膜电极结构使电池内阻减小的同时也使水渗透减少，该结构对DMFC水管理具有积极意义，具有不同结构MEA的DMFC水渗透量如图1-3所示[29]。（a）普通MEA（b）带有吸水层的MEA图1-3具有不同结构MEA的DMFC水渗透通量图[29]Nam等人对PEMFC内部水的运动形式进行了研究，并利用数学公式进行描述和分析，探究了孔隙率和毛细压力对传质情况的影响，并得出PEMFC在具有两层不同种类扩散介质的情况下达到最佳性能[30]。Yan等人利用三维非稳态两相模型验证了气体扩散层的润湿特性会对液态水的传质造成影响[31]。Niu等人则建立三维两相数学模型证明了气体扩散层的接触角是决定液体在高压通道中的流动情况的重要参数[32]。1.2.2μDMFC水管理问题的研究当前的μDMFC性能远远低于其理论水平，这是因为还有许多影响其性能的核心问题未能解决，特别是在两相流管理、甲醇渗透、电池结构优化等方面仍需要更深入的研究。其中，燃料电池的水管理情况被认为是改善其性能的重要因素，许多研究人员对此进行了探究。改善μDMFC水管理问题的核心是实现系统内的“水平衡”，从而实现电池性能的提升。μDMFC的水管理重点在于阴极水过多且无法及时排出，容易导致“水淹”现象，对此研究人员进行了多种方法的探究。WeiYuan等人对比了超亲水和超疏水阴极多孔流场对DMFC水管理的影响，结论是超亲水流场有利于排水，在较低的甲醇浓度下表现较好，而超疏水流场能够增强来自阴极水的回流，减少甲醇渗透并提高燃料利用效率[33]。Wang,ZG等人使用Al2SiO3和Al2O3制成了超亲水涂层涂在扩散层表面，其排水效果如图1-4所示，超亲水流场使阴极生成的水在
【参考文献】：
期刊论文
[1]扫描电子显微镜在岩矿分析中的应用[J]. 甘玉雪,杨锋,吴杰,余勇. 电子显微学报. 2019(03)
[2]X射线光电子能谱分析（XPS）表征技术研究及其应用[J]. 陈兰花,盛道鹏. 教育现代化. 2018(01)
[3]直接甲醇燃料电池阴极水的传输特性[J]. 蒋静慧,巩亮,李印实. 化工学报. 2017(S1)
[4]直接甲醇燃料电池及系统模型研究进展[J]. 王佳,张晶,黄成德. 电源技术. 2015(04)
[5]质子交换膜燃料电池的发展现状[J]. 张华民,明平文,邢丹敏. 当代化工. 2001(01)
博士论文
[1]微型直接甲醇燃料电池高浓度传质阻挡层技术研究[D]. 薛瑞.哈尔滨工业大学 2019
[2]金属基微型直接甲醇燃料电池关键技术研究[D]. 李洋.哈尔滨工业大学 2019
[3]氮掺杂纳米碳负载Pt催化剂的结构调控与催化氧化性能研究[D]. 宁小媚.华南理工大学 2016
[4]燃料电池电极反应机理及低铂催化剂的研究[D]. 骆明川.北京化工大学 2016
[5]被动式微型直接甲醇燃料电池阴极水管理的研究[D]. 邓慧超.哈尔滨工业大学 2015
[6]微型直接甲醇燃料电池阳极传质及应用基础研究[D]. 王路文.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]微型DMFC阴极Fe-N-C催化层的水管理研究[D]. 侯陈鋆.哈尔滨工业大学 2019
[2]直接甲醇燃料电池多元铂基催化剂的制备及性能研究[D]. 何佩珊.广东工业大学 2019
[3]被动式微型直接甲醇燃料电池进料结构与性能研究[D]. 黄勇.杭州电子科技大学 2019
[4]基于氮掺杂多孔碳复合纳米催化剂的制备及其锌空电池性能的研究[D]. 侯北华.安徽大学 2018
[5]氮掺杂碳材料负载过渡金属催化剂的制备及催化性能研究[D]. 崔雪亮.兰州大学 2018
[6]铂基催化剂的制备及其电催化性能研究[D]. 赵月萍.燕山大学 2018
[7]二维氮掺杂介孔碳材料的制备及其氧还原反应研究[D]. 余志鹏.华南理工大学 2018
[8]阴极PtNi合金及Fe/N/C催化剂制备和研究[D]. 赵灿云.南京大学 2017
[9]自呼吸式直接甲醇燃料电池阴极水管理研究[D]. 张曙斌.哈尔滨工业大学 2012
[10]被动式直接甲醇燃料电池数学模型研究[D]. 何洪.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3277647
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
阴极水淹现象示意图[7]
的影响[25]。通过DMFC的两相传质模型，研究人员可以通过模型仿真清晰的得到电池内部液态水的分布情况和传质情况，这有利于对DMFC水管理情况进行分析和研究。阴极反应生成、水的渗透和甲醇的渗透使得液态水大量聚集在阴极内部，如果不能及时排出，便会造成水淹。因此研究人员通过改善质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层的结构来实现水管理，即设法让阴极内部的水从流道排出或穿过质子交换膜返还回阳极[26]。邓慧超分析了电池的水管理情况，分别对阴极催化层、气体扩散层和阴极集流板三个燃料电池基本结构进行了改进，其中如图1-2所示的“十字型”阴极集流板结构使阴极的排水能力得到提升，从而改善了燃料电池的性能[27]。图1-2“十字型”阴极集流板模型几何图[27]何洪建立了μDMFC二维两相模型，仿真结果证明当阴极内部液体压强超过阳极时，液态水会实现由阴极到阳极的反向传输，使燃料电池的性能和稳定性得到提升[28]。张曙斌设计了一种新型膜电极，通过建立模型分析该结构对电池内部传
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-质情况的影响，结论是带有吸水层的膜电极结构使电池内阻减小的同时也使水渗透减少，该结构对DMFC水管理具有积极意义，具有不同结构MEA的DMFC水渗透量如图1-3所示[29]。（a）普通MEA（b）带有吸水层的MEA图1-3具有不同结构MEA的DMFC水渗透通量图[29]Nam等人对PEMFC内部水的运动形式进行了研究，并利用数学公式进行描述和分析，探究了孔隙率和毛细压力对传质情况的影响，并得出PEMFC在具有两层不同种类扩散介质的情况下达到最佳性能[30]。Yan等人利用三维非稳态两相模型验证了气体扩散层的润湿特性会对液态水的传质造成影响[31]。Niu等人则建立三维两相数学模型证明了气体扩散层的接触角是决定液体在高压通道中的流动情况的重要参数[32]。1.2.2μDMFC水管理问题的研究当前的μDMFC性能远远低于其理论水平，这是因为还有许多影响其性能的核心问题未能解决，特别是在两相流管理、甲醇渗透、电池结构优化等方面仍需要更深入的研究。其中，燃料电池的水管理情况被认为是改善其性能的重要因素，许多研究人员对此进行了探究。改善μDMFC水管理问题的核心是实现系统内的“水平衡”，从而实现电池性能的提升。μDMFC的水管理重点在于阴极水过多且无法及时排出，容易导致“水淹”现象，对此研究人员进行了多种方法的探究。WeiYuan等人对比了超亲水和超疏水阴极多孔流场对DMFC水管理的影响，结论是超亲水流场有利于排水，在较低的甲醇浓度下表现较好，而超疏水流场能够增强来自阴极水的回流，减少甲醇渗透并提高燃料利用效率[33]。Wang,ZG等人使用Al2SiO3和Al2O3制成了超亲水涂层涂在扩散层表面，其排水效果如图1-4所示，超亲水流场使阴极生成的水在
【参考文献】：
期刊论文
[1]扫描电子显微镜在岩矿分析中的应用[J]. 甘玉雪,杨锋,吴杰,余勇. 电子显微学报. 2019(03)
[2]X射线光电子能谱分析（XPS）表征技术研究及其应用[J]. 陈兰花,盛道鹏. 教育现代化. 2018(01)
[3]直接甲醇燃料电池阴极水的传输特性[J]. 蒋静慧,巩亮,李印实. 化工学报. 2017(S1)
[4]直接甲醇燃料电池及系统模型研究进展[J]. 王佳,张晶,黄成德. 电源技术. 2015(04)
[5]质子交换膜燃料电池的发展现状[J]. 张华民,明平文,邢丹敏. 当代化工. 2001(01)
博士论文
[1]微型直接甲醇燃料电池高浓度传质阻挡层技术研究[D]. 薛瑞.哈尔滨工业大学 2019
[2]金属基微型直接甲醇燃料电池关键技术研究[D]. 李洋.哈尔滨工业大学 2019
[3]氮掺杂纳米碳负载Pt催化剂的结构调控与催化氧化性能研究[D]. 宁小媚.华南理工大学 2016
[4]燃料电池电极反应机理及低铂催化剂的研究[D]. 骆明川.北京化工大学 2016
[5]被动式微型直接甲醇燃料电池阴极水管理的研究[D]. 邓慧超.哈尔滨工业大学 2015
[6]微型直接甲醇燃料电池阳极传质及应用基础研究[D]. 王路文.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]微型DMFC阴极Fe-N-C催化层的水管理研究[D]. 侯陈鋆.哈尔滨工业大学 2019
[2]直接甲醇燃料电池多元铂基催化剂的制备及性能研究[D]. 何佩珊.广东工业大学 2019
[3]被动式微型直接甲醇燃料电池进料结构与性能研究[D]. 黄勇.杭州电子科技大学 2019
[4]基于氮掺杂多孔碳复合纳米催化剂的制备及其锌空电池性能的研究[D]. 侯北华.安徽大学 2018
[5]氮掺杂碳材料负载过渡金属催化剂的制备及催化性能研究[D]. 崔雪亮.兰州大学 2018
[6]铂基催化剂的制备及其电催化性能研究[D]. 赵月萍.燕山大学 2018
[7]二维氮掺杂介孔碳材料的制备及其氧还原反应研究[D]. 余志鹏.华南理工大学 2018
[8]阴极PtNi合金及Fe/N/C催化剂制备和研究[D]. 赵灿云.南京大学 2017
[9]自呼吸式直接甲醇燃料电池阴极水管理研究[D]. 张曙斌.哈尔滨工业大学 2012
[10]被动式直接甲醇燃料电池数学模型研究[D]. 何洪.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3277647
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