平面型被动式质子交换膜燃料电池的研究

发布时间：2017-10-03 22:25

  本文关键词：平面型被动式质子交换膜燃料电池的研究

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【摘要】：随着新能源电池技术不断发展,微型质子交换膜燃料电池(Micro Proton Exchange Membrane Fuel Cell,μPEMFC)面向可移动便携式市场,进入了产品化的关键阶段。但是其生产成本较高,工艺、材料、结构等方面尚存在很大的优化空间。本文根据项目实际需要,设计了一种新颖微型被动式质子交换膜燃料电池堆的结构并采用新型材料加以实现;在保证良好性能的同时,相较于传统质子交换膜燃料电池,减少了成本和空间体积,简化安装过程以及检修环节。对影响电池工作的结构因素—如阳极阴极沟道和集流板结构、新材料封装效果—以及环境因素,如气体流速、环境温度、氢气湿度等,进行了综合仿真与电池测试实验比对;最后,针对电池实际工作中的一些问题与现象,进行了定性分析,展开了阐述。在设计实践过程中,通过研究了多种质子交换膜燃料电池或电堆的工作原理、结构及性能,总结了它们各自的优势与弊端;在对质子交换膜燃料电池及电堆设计思路和组装过程进行充分学习和对一些电池的实验数据研究比对后,根据牵引项目的现实要求进而设计了一种结构简洁,轻便小巧,性能良好的微型被动式质子交换膜燃料电池。有别于传统的竖直堆叠式质子交换膜燃料电池的结构,本文中的电池的创新在于设计一种易于拔插的平面型电堆结构;该电池在结构设计阶段,以项目具体需求为出发点,立足于设燃料电池膜电极厚度的超薄特征,适合一些有特殊要求的工作环境。本文也研究了被动式质子交换膜燃料电池工作中阴阳两极气体传质过程和电池的水处理对电池性能的影响,并通过COMSOL软件对被动式PEMFC的阴极进行建模仿真。实验分析了阴阳两侧的电化学反应以及温度、氢气流速等因素对被动式燃料电池性能的影响。同时比对测试了传统堆叠型PEMFC的各项数据结果表明,本课题平面型PEMFC室温环境中静态工作功率密度略小于传统电堆,但更适合于小功率条件下工作,符合预期目标。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 平面型 结构优化 传统电堆
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 课题背景9
• 1.2 质子交换膜燃料电池概述9-11
• 1.3 PEMFC的国内外研究现状11-14
• 1.3.1 PEMFC的膜电极11-12
• 1.3.2 PEMFC的结构优化12-13
• 1.3.3 堆叠型和平面型PEMFC13-14
• 1.4 PEMFC的发展趋势及存在问题14-16
• 1.4.1 PEMFC的发展趋势14-15
• 1.4.2 PEMFC微型化存在的问题15-16
• 1.5 课题研究目的与意义16
• 1.6 课题研究的主要内容16-18
• 第二章 PEMFC的基本原理18-35
• 2.1 引言18
• 2.2 PEMFC的电化学反应18-19
• 2.3 PEMFC的极化现象19-22
• 2.3.1 电化学极化19-20
• 2.3.2 浓差极化20-22
• 2.3.3 电化学反应的控制步骤22
• 2.4 PEMFC的传质22-25
• 2.4.1 多孔介质层22-23
• 2.4.2 水淹现象23-25
• 2.5 PEMFC的流场25-26
• 2.6 PEMFC阴极半电池三维模型26-34
• 2.6.1 模型建立和基本假设26-27
• 2.6.2 模型控制方程27-30
• 2.6.3 模型边界条件30-31
• 2.6.4 模型使用的参数31-32
• 2.6.5 仿真结果与分析32-34
• 2.7 本章小结34-35
• 第三章 平面型PEMFC结构设计和组装35-46
• 3.1 引言35
• 3.2 平面型被动式PEMFC结构设计35-39
• 3.2.1 设计理念35-36
• 3.2.2 材料选择36-38
• 3.2.3 制图与加工38-39
• 3.3 电池的组装39-42
• 3.3.1 膜电极的制备39-40
• 3.3.2 平面型电池的组装40-42
• 3.4 组装过程注意事项及常见故障排除42-43
• 3.5 平面型和堆叠式装配过程比较43-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第四章 平面型PEMFC的实验分析46-58
• 4.1 平面型电池氢气流速数据分析46-48
• 4.2 几款电池性能比较48-49
• 4.3 长时间放电测试49-50
• 4.4 电池的衰退现象50-53
• 4.5 工作温度测试53-54
• 4.6 外部环境对平面型电池的影响54-55
• 4.7 电堆节数对电池性能的影响55-56
• 4.8 试验中的非线性现象56
• 4.9 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-65
• 致谢65

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本文编号：967083