空气源电化学分离制氧—单池性能及系统优化

发布时间：2017-11-15 12:32

  本文关键词：空气源电化学分离制氧—单池性能及系统优化

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【摘要】：随着社会经济不断发展,人类快速的工业化进程,导致空气污染日益严重,生存环境逐渐恶化。尤其受近几年出现严重“雾霾”天气的影响,大气环境质量越来越受到人们的重视。空气中氧气的补给是提高空气质量的重要方式之一。本论文研发空气源电化学分离连续制备纯氧技术,与传统制氧方法相比,该制氧技术具有空气源分离制氧、能量效率高、连续运行、环境友好、安静、易规模放大等优点,可实现室内外场所氧气的补给。质子交换膜燃料电池和固体聚合物电解池(简称燃料电池和电解池)是该制氧技术的关键部件,其性能影响制氧系统产氧量。因此,本论文(1)分别考察了燃料电池和电解池操作条件对性能的影响,考察的因素有燃料电池的操作温度、反应气体利用率、相对湿度和操作压强以及电解池的阴阳极供水方式、循环水流速和操作温度等。(2)考察了燃料电池膜电极组件的制备工艺参数对单池性能的影响。(3)对制氧系统进行探索研究。实验结果表明：(1)以氢气为燃料、空气为氧化剂的单池最佳性能条件为：常压操作时,操作温度为60℃,峰值功率密度可达0.42 W·cm-2,膜面电阻为77 mohm·cm2,膜电导率为41.4mS·cm-1。Tafel斜率受温度影响较小,在120 mv·dec-1左右,但受相对湿度影响较大。在60℃下,提高空气(氧)和氢气利用率,单池性能逐渐下降；增加反应气体相对湿度,单池性能显著提高；操作压强对单池性能影响较小,在0.1 MPa下峰值功率密度达0.52 W·cm-2。电解池单池最优化操作条件为：供水方式为阴阳两极供水(与阳极供水相近),操作温度对性能影响较大且最佳为65℃,膜的面电阻为1.08 ohm·cm2,膜电导率为11.7mS·cm-1。循环水流速对电解池性能影响较小。在上述实验条件下,燃料电池中Nafion(?)211膜和电解池中的Nafion(?)115膜的活化能计算值分别为3.75 kJ·mol-1和4.61kJ·mol-1。(2)在所考察条件范围内,燃料电池膜电极组件最优的热压工艺参数为140℃,210s,3MPa。(3)增大辅助电解池电流,燃料电池性能提高,制氧系统总产氧量显著增加。增加燃料电池阴极空气的流量和相对湿度,制氧系统主单元产氧量增加。当辅助单元电流密度为588 mA·cm-2,燃料电池阴极空气流量为100 mL·min-1,相对湿度为100%时,制氧系统总产氧量为20mL·min-1,燃料电池单位面积产氧量和单位电流密度产氧量分别为0.4mL·min-1·cm-2和1.9 mL·cm2·min-1·mA-1。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ116.14;TM911.4

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