高温质子交换膜燃料电池宏观传质及电池特性试验

发布时间：2017-10-13 12:07

  本文关键词：高温质子交换膜燃料电池宏观传质及电池特性试验

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【摘要】：质子交换膜燃料电池是近年来备受关注的一种能够为燃料与氧化剂提供反应场所,将燃料中的化学能直接转化为电能新型能源转换装置,它具有能量转换效率高、绿色环保等优点。本文主要研究对象为高温质子交换膜燃料电池,其不但具有上述质子交换膜燃料电池的优点,还因为其较高的工作温度简化了燃料电池生成水的管理、催化剂受CO中毒影响较小、燃料无需进行加湿处理等优点。成功地解决了常温质子交换膜燃料电池的诸多弊端,使其成为现今研究的热点。虽然高温燃料电池拥有诸多优点,但是因其成本太高,对环境变化的适应度低,使用寿命较传统装置较短等因素,而不能进行普遍地推广应用,这是燃料电池领域急需科研人员突破的瓶颈。论文在阅读大量有关高温质子交换膜燃料电池资料及有关文献的基础上,归纳和总结了高温燃料电池的工作原理、优点及用途,详细介绍了高温质子交换膜燃料电池的关键零部件和电池内传热传质的理论基础。论文搭建高温质子交换膜燃料电池测试系统,并对高温质子交换膜燃料电池的性能进行了相关的测试。论文构建高温质子交换膜燃料电池数学模型并进行相关模拟分析。论文制备了三种酸化时掺杂不同体积分数的硫酸的PBI膜,并将三种膜分别装入燃料电池中,分别对三种PBI膜组成的高温燃料电池的性能进行了测试,对比分析了由硫酸含量不同引起的差异。通过扫描电子显微镜及三维显微镜对经试验使用之后的PBI膜及高温碳纸进行相关的扫描并拍摄照片进行对比分析。试验结果发现:随着硫酸掺杂量的增加,高温燃料电池的性能逐渐衰退;电池的欧姆阻抗及法拉第阻抗均有所增大;随着硫酸掺杂量的增加,电池的最佳操作温度不再是随着工作温度的升高而升高;同时经过电子显微镜照片对比看出,硫酸含量越高,高温碳纸上的催化剂聚集现象越严重,影响了高温燃料电池的性能。论文在前人研究的常温质子交换膜燃料电池构建的数学模型基础之上,根据高温质子交换膜燃料电池的特性,构建了二维单相传质模型。模拟了高温燃料电池在不同的工作温度、不同的扩散层空隙率下的电流密度及电池阴极的反应物和生成物浓度分布。模拟结果显示:通过提高电池工作温度可以促进阴极中氧气的消耗与水蒸气的生成,氧化反应产生的电子也会相应增加;通过增大扩散层的孔隙率,可以加快气体流通的速度,阴极中生成的水蒸气浓度有所降低,有利于生成物的排出,促进反应的进行,使氧化还原反应产生的电流密度有所提高。模拟结果对优化高温质子交换膜燃料电池结构和提高膜电极性能等方面具有重要作用。
【关键词】：质子交换膜 燃料电池 聚苯并咪唑 掺杂 传质 数值模拟
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 燃料电池发展史11-13
• 1.2 燃料电池类型及原理13-14
• 1.2.1 燃料电池的分类13
• 1.2.2 燃料电池的工作原理13-14
• 1.3 燃料电池主要部件14-18
• 1.3.1 质子交换膜（PBI膜）14-15
• 1.3.2 高温碳纸15-16
• 1.3.3 双极板及流场16-18
• 1.4 质子交换膜燃料电池的理论计算18-25
• 1.4.1 燃料电池的理论特性18-20
• 1.4.2 极化作用20-23
• 1.4.3 PEM燃料电池的效率23-25
• 1.5 质子交换膜燃料电池的应用及研究现状25-32
• 1.5.1 燃料电池的应用现状25-28
• 1.5.2 燃料电池研究现状28-32
• 1.6 本文研究内容32-33
• 第二章 燃料电池试验装置33-43
• 2.1 燃料电池测试装置33-36
• 2.1.1 燃料电池系统概述33-34
• 2.1.2 保温管34-35
• 2.1.3 气体减压阀35
• 2.1.4 电子负载35-36
• 2.2 试验装置的操作36-43
• 2.2.1 燃料电池部件的预处理36-37
• 2.2.2 HT-PEM燃料电池单体及组装37-38
• 2.2.3 膜电极的活化38-39
• 2.2.4 设定电池的工作参数39-40
• 2.2.5 V-I曲线测控界面40-41
• 2.2.6 试验数据的处理41-42
• 2.2.7 电子显微镜42-43
• 第三章 HT-PEM燃料电池测试试验43-57
• 3.1 高温燃料电池中的PBI膜43-44
• 3.1.1 PBI膜介绍43
• 3.1.2 PBI膜酸化处理43-44
• 3.2 高温燃料电池试验44-46
• 3.2.1 试验目的44-45
• 3.2.2 试验方法45-46
• 3.3 试验与分析46-55
• 3.3.1 V-I曲线46-49
• 3.3.2 阻抗测试49-50
• 3.3.3 阻抗分析曲线50-53
• 3.3.4 三种不同膜及碳纸的电镜照片53-55
• 3.4 本章小结55-57
• 第四章 HT-PEM燃料电池模拟分析57-86
• 4.1 HT-PEMFC数学模型59-67
• 4.1.1 模拟区域概述59-60
• 4.1.2 相关计算方程60-65
• 4.1.3 边界条件65-67
• 4.2 划分网格67-69
• 4.3 结果分析与讨论69-83
• 4.3.1 模拟与试验的曲线对比70-71
• 4.3.2 不同温度下燃料电池的模拟结果与分析71-78
• 4.3.3 不同扩散层孔隙率下的燃料电池的模拟结果与分析78-83
• 4.4 本章小结83-86
• 第五章 结论与展望86-88
• 5.1 结论86
• 5.2 展望86-88
• 参考文献88-94
• 作者简介94
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文94-96
• 致谢96-97

【参考文献】

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本文编号：1024743