镁-溶解氧海水电池性能的实验室模拟研究

发布时间：2017-06-05 23:16

  本文关键词：镁-溶解氧海水电池性能的实验室模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着化石能源日渐短缺,以及燃烧化石能源带来的环境问题日益严峻,各国纷纷加快了对海洋资源的开发和利用。然而进行长期的深海探测和海下作业需要消耗大量的电能,常规电源在寿命和安全性方面很难满足要求,因此,可再生分布式海洋电源--海水溶解氧电池(简称海水电池)展现出较大的应用前景。海水电池具有完全开放结构,电池性能不仅受电极材料影响,还与溶解氧浓度、海水流速等环境参数以及工作电流、正负极距离等电池参数有关。因此,研究上述因素对海水电池性能影响对于促进海水电池实际应用具有重要意义。本文针对海水电池使用工况条件,通过开路电位、动电位极化、恒流放电、失重等测试方法,系统评价了Mg-Ga-Hg合金在海水中的电化学行为,考察其作为海水电池负极材料的相关性能；通过测稳态极化曲线、恒流放电曲线等方法研究了聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)作为海水电池正极在电化学改性前后对海水溶解氧还原反应的催化性能,并研究了海水流速、溶解氧浓度、工作电流、反应副产物对电化学改性后的聚丙烯腈基碳纤维(MPAN-CF)电极性能的影响；最后,还讨论了正负极距离对海水电池输出电压的影响。本文主要研究结果如下：1、Mg-Ga-Hg合金未工作时在海水中的自放电速率为0.381m A/cm2,开路电位为-1.91～-1.95V,在1～9mA/cm2电流密度下放电时工作电位均负于-1.9V,激活时间小于10s,电流效率在70%左右,且间歇放电性能良好,在盐度大于1.5%的静态或动态海水中均具有良好的电化学活性,适合作海水溶解氧电池负极材料。2、电化学改性后的PAN-CF电极对海水中的溶解氧还原反应具有良好的电催化活性,且刷状电极(MPAN-CFB)可以有效提高电极传质性能,海水流速越大、溶解氧浓度越高,电极性能越好,且在流速大于2cm/s、溶解氧浓度高于3mg/L的常温海水中,电极在-400mV电位下工作电流密度可以达到-32.3mA/g;在模拟深海环境(溶解氧浓度3mg/L、海水流速2cm/s、温度4℃)中,电极在-400mV下工作电流密度仍可以达到-10.9mA/g,适合作海水溶解氧电池正极材料。3、MPAN-CFB电极适合在低于200mA电流下工作,且工作初期副产物对电极性能影响较为严重,在100mA电流下的稳定工作电位分别可以达到-247mV、-343mV。在设计海水电池时应根据电池工作电流合理设计正负极之间距离：若单支MPAN-CFB电极工作电流大于100mA,正负极之间距离应低于12cm；若工作电流小于100mA,则正负极之间距离可以增大到25cm。
【关键词】：海水溶解氧电池 镁合金 聚丙烯腈基碳纤维 电化学改性 氧还原反应
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM910
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 文献综述11-27
• 1.1 前言11-12
• 1.2 海水电池概况12-17
• 1.2.1 海水电池原理及特点12
• 1.2.2 海水电池分类12-15
• 1.2.3 几种常见海水电池15-17
• 1.2.4 海水电池应用17
• 1.3 镁海水溶解氧电池研究进展17-20
• 1.4 镁合金概况20-23
• 1.4.1 镁合金在电池中的应用20-21
• 1.4.2 镁合金作电极材料时存在问题21-22
• 1.4.3 镁合金电极材料研究进展22-23
• 1.5 碳纤维概况23-25
• 1.5.1 碳纤维简介23-24
• 1.5.2 碳纤维表面处理方法24-25
• 1.6 电池参数25-26
• 1.7 论文研究内容及创新点26-27
• 1.7.1 研究主要内容26
• 1.7.2 论文创新点26-27
• 2 Mg-Ga-Hg合金电化学性能测试27-43
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验部分28-30
• 2.2.1 实验试剂及仪器28
• 2.2.2 自腐蚀速率测试28
• 2.2.3 镁合金电化学性能测试28-30
• 2.3 结果与讨论30-42
• 2.3.1 三种镁合金电化学性能比较30-32
• 2.3.2 Mg-Ga-Hg合金在海水中的开路电位测试32-33
• 2.3.3 Mg-Ga-Hg合金在海水中的恒流放电特性33-36
• 2.3.4 Mg-Ga-Hg合金在海水中的动电位极化特性36-37
• 2.3.5 Mg-Ga-Hg合金在海水中的自腐蚀速率和电流效率37-39
• 2.3.6 Mg-Ga-Hg合金在海水中的间歇放电特性39-41
• 2.3.7 Mg-Ga-Hg合金在动态海水中的放电特性41-42
• 2.4 本章小结42-43
• 3 环境参数对改性PAN基碳纤维电极性能影响43-55
• 3.1 引言43
• 3.2 实验部分43-45
• 3.2.1 实验试剂及仪器43-44
• 3.2.2 改性碳纤维电极制备44
• 3.2.3 电化学测试44-45
• 3.3 结果与讨论45-53
• 3.3.1 电化学改性对PAN-CFB电极电化学性能影响45-47
• 3.3.2 溶解氧浓度对MPAN-CFB电极性能影响47-49
• 3.3.3 海水流速对MPAN-CFB电极性能影响49-51
• 3.3.4 溶解氧浓度、海水流速对MPAN-CF丝束电极性能影响51-52
• 3.3.5 模拟深海环境下MPAN-CF丝束电极性能52-53
• 3.4 本章小结53-55
• 4 工作电流、副产物、电极距离对电池性能影响55-62
• 4.1 引言55-56
• 4.2 实验部分56-57
• 4.2.1 实验试剂及仪器56
• 4.2.2 改性碳纤维刷电极制备56
• 4.2.3 工作电流、副产物对电池性能影响测试56
• 4.2.4 电极距离对电池性能影响测试56-57
• 4.3 结果与讨论57-61
• 4.3.1 工作电流对MPAN-CFB电极性能影响57-59
• 4.3.2 副产物对MPAN-CFB电极性能影响59-60
• 4.3.3 电极距离对电池性能影响60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 5 总结论62-63
• 参考文献63-71
• 致谢71-72
• 个人简历72-73
• 发表的学术论文73

【参考文献】

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本文编号：424874