蒸汽式直接甲醇燃料电池燃料汽化系统设计与性能研究

发布时间：2017-09-19 20:35

  本文关键词：蒸汽式直接甲醇燃料电池燃料汽化系统设计与性能研究

  更多相关文章： 直接甲醇燃料电池 燃料汽化系统 催化燃烧 渗透汽化 烧结多孔金属纤维毡

【摘要】：直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cell,DMFC)作为一种新型便携式电源,具备替代传统电源的巨大潜力。本文聚焦蒸汽式直接甲醇燃料电池(Vapor-feed Direct Methanol Fuel Cell,V-DMFC),设计出三种燃料汽化系统,并在此基础上开展相关研究,主要内容包括:(1)基于电加热的燃料汽化系统设计与性能研究本文设计了基于电加热燃料汽化系统的半被动式V-DMFC(EV-DMFC)单体,并验证了蒸汽作用形式对于提高电池性能的有效性,同时研究发现,EV-DMFC的供料浓度以及加热温度均存在一个最佳值,使得电池在甲醇供给以及甲醇穿透这对矛盾因素上获得较好的优化效果;而当使用高浓度甲醇供料时,在阳极添加烧结多孔金属纤维板(Sintered Porous Metal-fiber Plate,SPMFP)作为阻醇层将明显抑制甲醇穿透,提高电池的输出性能;同时研究发现,当忽略电加热寄生功率损失时,EV-DMFC系统的能量效率将达到78.4%,相反地,其整体能量效率将降低10%左右。(2)利用催化燃烧辅助供热的燃料汽化系统设计与性能研究本文以甲醇催化燃烧反应为基础,设计出一种基于催化燃烧加热器的V-DMFC系统(CV-DMFC),通过实验测试发现,催化燃烧加热器的启动特性与氧气和甲醇的供给速率、催化剂活性因子的含量以及热负载参数有关,并且CV-DMFC具有等同甚至超过EV-DMFC的输出性能。同时,本文利用渗透汽化技术对催化燃烧加热器的甲醇供给系统进行了优化,并详细研究了渗透汽化膜蒸发器的甲醇渗透流量以及优化后的催化燃烧加热器的性能影响因素,并使用红外热像仪辅助研究了催化燃烧反应的启动行为;通过与传统的鼓泡蒸发器作对比,发现在电池需求的温度范围内,渗透汽化膜蒸发器更有利于催化燃烧加热器的常温启动,而且其加热性能不受工作方位的影响,对于空气流量的阶跃响应也更加迅速。而通过对比CV-DMFC与EV-DMFC发现,CV-DMFC的加热系统没有温度过冲现象的发生,在连续6h的放电过程中温度波动在2°C以内。(3)全被动式燃料渗透汽化系统设计与性能研究本文提出一种基于渗透汽化技术的全被动式V-DMFC(Fully-Passive Vapor-feed Direct Methanol Fuel Cell,FPV-DMFC)系统,通过在该电池的阴极添加了一层具有疏水特性的SPMFP,能够有效促进“阴极水反补”,从而提高电池的输出性能,尤其是提高了电池的供料浓度,甚至可以实现纯甲醇供料,而若在此基础上继续使用阳极亲水层将降低电池的输出性能。对于纯甲醇供料的FPV-DMFC而言,本文首先提出了一种“阴极水反补”量化分析方法,能够在不影响电池“自呼吸”状态的前提下准确测得“阴极水反补”流量;然后设计了三种阳极加湿方法以解决纯甲醇供料时的阳极缺水问题,包括使用甲醇水溶液、主动供水以及使用阴极准超疏水SPMFP,并且证明利用阴极准超疏水SPMFP促进“阴极水反补”是最有效的阳极加湿方案,而若同时辅以更大的阴极催化剂载量将完全消除恒流放电过程中的功率衰减现象,同时进一步提高电池性能,上述优化机制使得纯甲醇供料的FPV-DMFC最大功率密度达到了21.5m W cm~(-2)。
【关键词】：直接甲醇燃料电池 燃料汽化系统 催化燃烧 渗透汽化 烧结多孔金属纤维毡
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 主要物理量名称及符号表12-15
• 第一章 绪论15-26
• 1.1 本文的选题背景及研究目的15-16
• 1.2 DMFC的分类与结构特征16-17
• 1.3 V-DMFC燃料汽化系统研究现状17-21
• 1.3.1 半被动式V-DMFC燃料汽化系统17-19
• 1.3.2 全被动式V-DMFC燃料汽化系统19-21
• 1.4 V-DMFC中的技术瓶颈及其解决方案21-24
• 1.4.1 甲醇穿透与阳极反应物管理21-23
• 1.4.2 阳极缺水与电池水管理23-24
• 1.5 本文的主要内容24-25
• 1.6 本文的研究来源25-26
• 第二章 基于电加热的燃料汽化系统研究26-39
• 2.1 EV-DMFC系统设计与关键组件制备26-28
• 2.2 EV-DMFC性能测试及其影响因素分析28-35
• 2.2.1 测试原理与方法28-30
• 2.2.2 EV-DMFC与L-DMFC性能对比30-31
• 2.2.3 甲醇浓度对EV-DMFC的影响31-32
• 2.2.4 温度对EV-DMFC的影响32-34
• 2.2.5 质子交换膜对EV-DMFC的影响34-35
• 2.3 阳极多孔阻醇层对EV-DMFC高浓度供料的优化效果35-36
• 2.4 恒流放电测试与EV-DMFC系统效率评估36-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第三章 利用催化燃烧供热的燃料汽化系统研究39-72
• 3.1 催化燃烧实验基础39-41
• 3.1.1 催化燃烧反应原理39
• 3.1.2 催化燃烧催化剂（Pt/Al_2O_3/Ni）的制备39-41
• 3.2 催化燃烧加热器设计与性能研究41-48
• 3.2.1 系统设计与性能测试41-42
• 3.2.2 催化燃烧加热器加热性能的影响因素42-48
• 3.3 催化燃烧加热器与DMFC的系统集成48-51
• 3.3.1 系统设计48
• 3.3.2 CV-DMFC性能研究48-51
• 3.4 基于渗透汽化的催化燃烧供料优化51-68
• 3.4.1 渗透汽化工作原理51-53
• 3.4.2 甲醇在渗透汽化膜中的传质能力表征53-55
• 3.4.3 渗透汽化催化燃烧加热器优化设计55-56
• 3.4.4 渗透汽化催化燃烧加热器中的甲醇渗透流量测试56-59
• 3.4.5 气体在气体混合腔中的流动形式模拟59-60
• 3.4.6 渗透汽化对催化燃烧加热器的优化效果60-68
• 3.5 催化燃烧加热与电加热的对比及电池性能研究68-70
• 3.6 本章小结70-72
• 第四章 全被动式燃料渗透汽化系统研究72-98
• 4.1 基于渗透汽化的FPV-DMFC系统设计与性能测试72-74
• 4.2 FPV-DMFC高水平输出的结构优化方法74-80
• 4.2.1“阴极水反补”促进机制及其关键功能组件的制备与表征74-75
• 4.2.2 阴极疏水多孔功能层对FPV-DMFC性能的影响75-77
• 4.2.3 阳极亲水与阴极疏水复合水管理层对FPV-DMFC性能的影响77-78
• 4.2.4 工作方位对FPV-DMFC性能的影响78-79
• 4.2.5 FPV-DMFC的恒流放电特性分析79-80
• 4.3 纯甲醇供料的FPV-DMFC“阴极水反补”量化分析80-85
• 4.3.1 水反补流量测量原理80-83
• 4.3.2 全被动式“阴极水反补”测量方法83-85
• 4.4 纯甲醇供料的FPV-DMFC阳极加湿方案85-94
• 4.4.1 方案Ⅰ：使用甲醇水溶液87-88
• 4.4.2 方案Ⅱ：主动补水88-89
• 4.4.3 方案Ⅲ：添加阴极（准）超疏水多孔功能层89-93
• 4.4.4 正交试验93-94
• 4.5 阴极催化剂载量对纯甲醇供料的FPV-DMFC的影响94-96
• 4.6 本章小结96-98
• 总结与展望98-100
• 1.本文总结98-99
• 2.本文的创新点99
• 3.不足与展望99-100
• 参考文献100-107
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果107-110
• 致谢110-111
• Ⅳ－2答辩委员会对论文的评定意见111

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 戚志东;;基于ANFIS的DMFC温度建模和改进模糊控制[J];南京理工大学学报(自然科学版);2008年06期

2 叶丁丁;黄桂兰;朱恂;李俊;廖强;张彪;;零度以下环境中DMFC性能及传输特性[J];工程热物理学报;2011年09期

3 张明波;顾进广;阎群;;适用于百瓦功率级DMFC的燃料稀释装置[J];电源技术;2012年06期

4 王振波,尹鸽平,史鹏飞;DMFC阳极多元合金催化剂的研究进展[J];工业催化;2005年02期

5 遇鑫遥;蒋仲庆;孟月东;;Preparation of Anodes for DMFC by Co-Sputtering of Platinum and Ruthenium[J];Plasma Science and Technology;2010年02期

6 曾毅波;刘俊;陈观生;郭航;;一种微型直接甲醇燃料电池的制作与测试[J];厦门大学学报(自然科学版);2012年02期

7 张飞翔;齐亮;姚克俭;;被动式DMFC气泡行为的实验研究和数值模拟[J];化工进展;2013年02期

8 邹晓燕;姚克俭;;被动式DMFC阳极通道气泡行为的实验研究[J];化工进展;2011年07期

9 汪兴兴;倪红军;朱昱;黄明宇;;异形直接甲醇燃料电池的研究进展[J];电池;2008年06期

10 牛秀红;;DMFC阴极电催化剂的研究进展[J];石油化工应用;2009年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 方军;齐冬辉;宋洪峰;沈培康;;新型DMFC阻醇膜的性能研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年

2 汪国雄;孙公权;王琪;王素力;孙海;毛庆;辛勤;衣宝廉;;空气自呼吸式直接甲醇燃料电池的研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

3 李忠芳;王素文;于如军;张骞;樊彩霞;;含硫芳杂环卟啉配合物类DMFC催化剂的制备研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

4 钟凌燕;王晓红;谢克文;姜英琪;;基于CFD的DMFC阳极三维模型的建立[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集（一）[C];2005年

5 李忠芳;王素文;于如军;;四(取代噻酚基)卟啉配合物类DMFC催化剂的制备研究[A];中国化学会第九届全国应用化学年会论文集[C];2005年

6 方军;齐冬辉;宋洪峰;沈培康;;新型DMFC阻醇膜的性能研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集稀土专辑[C];2004年

7 游梦迪;程璇;刘连;张璐;;DMFC中甲醇渗透的电化学研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

8 强熙贵;刘娟英;王文明;田娟;郑丹;夏保佳;;无泵循环的微型直接甲醇燃料电池研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

9 韩东梅;舒东;孟跃中;田双红;;磺化聚二氮杂萘醚酮用于DMFC的性能测试[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年

10 王翠芳;潘晓萍;郭永榔;;碳载铂电极上氧气还原反应的研究[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前7条

1 山东 苗本秀;直接甲醇燃料电池（DMFC）的剖析[N];电子报;2005年

2 ;DMFC有望成为下一代电池[N];消费日报;2008年

3 ;为手持设备提供超强电力[N];网络世界;2005年

4 于洋　张兆军;直接甲醇燃料电池技术获多项突破[N];科技日报;2011年

5 王江霞;直接甲醇燃料电池技术获多项突破[N];中国石化报;2011年

6 于洋;直接甲醇燃料电池研究取得成果[N];中国化工报;2011年

7 徐维正;直接甲醇燃料电池研究有突破[N];中国化工报;2006年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 孙灵俊;被动式μDMFC极板加工工艺及应用研究[D];大连理工大学;2011年

2 袁伟;被动式直接甲醇燃料电池结构优化设计及作用机理研究[D];华南理工大学;2012年

3 李苗苗;μDMFC阳极流场气液输运及流场结构微细加工研究[D];大连理工大学;2012年

4 黄绵延;DMFC用改性磺化聚芳醚酮质子交换膜的研究[D];天津大学;2007年

5 王耀琼;DMFC和DSSC的化学增强与光辅助增强催化[D];重庆大学;2010年

6 叶丁丁;空气自呼吸式直接甲醇燃料电池两相流动及传输特性[D];重庆大学;2009年

7 曹先齐;直接甲醇燃料电池内的两相流与热质传输特性研究[D];山东大学;2012年

8 梁军生;微型直接甲醇燃料电池结构、工艺及阳极气液输运研究[D];大连理工大学;2007年

9 丁玉栋;液相进料直接甲醇燃料电池两相流动与传输特性研究[D];重庆大学;2010年

10 朱应利;微型直接甲醇燃料电池封装关键技术研究[D];大连理工大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 刘宽耀;钛基μDMFC流场板极端润湿微结构及其气液分相效能研究[D];大连理工大学;2015年

2 耿骏;基于VOF方法的μDMFC阳极沟道内气液输运特性研究[D];南京航空航天大学;2015年

3 汪兴兴;异形直接甲醇燃料电池结构及性能的研究[D];南通大学;2010年

4 张兆春;蒸汽式直接甲醇燃料电池燃料汽化系统设计与性能研究[D];华南理工大学;2016年

5 陈培培;液相进料DMFC内的两相流与阻力特性研究[D];山东大学;2013年

6 王光燕;DMFC阳极流场超疏水微通道制作及其气泡消减特性研究[D];大连理工大学;2013年

7 冷佳醒;微型DMFC阳极气液两相流研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

8 赵科良;直接甲醇燃料电池（DMFC）阳极催化材料的研究[D];西安科技大学;2008年

9 肖露璐;生物启发下DMFC膜的制备与质子传导性能研究[D];天津大学;2010年

10 苑振宇;微型直接甲醇燃料电池结构设计与制作技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

，

本文编号：883833