直接甲醇燃料电池系统多类别参数协同设计与性能分析
发布时间：2020-12-15 09:22
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是一种将甲醇氧化反应的化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有结构简单、清洁环保、理论能量密度高、燃料的存储和运输便利等优点,在便携式移动设备和交通运输等领域具有广阔的应用前景。然而,功率密度低、能量转化效率低、催化剂毒化等问题严重影响了 DMFC的商业化进程。为了提高电池的功率密度和能量转化效率,充分发挥催化剂固有的反应能力,目前已有大量学者分别对系统运行参数、极板几何参数与膜电极参数的优化设计做了大量研究,但是没有考虑到不同类别参数对DMFC性能的耦合影响,对DMFC性能的提升有一定局限性。本文基于实验综合研究了系统运行参数、极板几何参数与膜电极参数对DMFC性能的耦合影响,开展了 DMFC多类别参数的协同建模与参数优化设计,并利用CFD数值模拟揭示了 DMFC内部的流动特性。(1)搭建了一个多参数可调的DMFC性能实验平台,平台由DMFC单电池和辅助系统构成。设计了 100组综合考虑系统运行参数、极板几何参数和膜电极参数的实验。系统运行参数包括甲醇浓度、温度、甲醇和空气流速;极板几何参数上,为适应电池...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１燃料电池的应用（图片来源于互联网）??
Ｃ）燃料电池汽车?ｄ）固定式发电设备??图１．１燃料电池的应用（图片来源于互联网）??ＤＭＦＣ自２０世纪９０年代被发明以来，各国科研工作者对其进行大量的研宄，??取得了长足的发展。ＤＭＦＣ作为供电装置，要实现商用的前提是电池的功率密度??和效率必须达到一个较高的水平，而目前ＤＭＦＣ的功率密度和效率都比较低。??ＤＭＦＣ的功率密度和效率低的原因主要有：甲醇穿透、催化剂活性低和严重的阴??极水淹［１Ｇ１。此外，甲醇在氧化不完全的情况下会生成一氧化碳、甲醛和甲酸等副??产物，一氧化碳会毒化Ｐｔ催化剂，甲醛和甲酸则有一定腐蚀性，因此ＤＭＦＣ的??耐久性较差［１１］。研究发现，ＤＭＦＣ的运行参数和设计参数对功率密度和能量转化??效率影响显著，在现有的催化剂水平下，通过对电池的运行参数和设计参数进行??优化是提高电池的功率密度和效率的有效途径。??１．２直接甲醇燃料电池的工作原理??ＤＭＦＣ是一种能量转化装置
??流场，如图１．４所示［２（）－２４１。除了流场形式，流道的截面设计（包括截面形状和截??面尺寸）、流道的长度、流道的间距和流场的开孔率都对ＤＭＦＣ内部的流动特性??影响显著。??ＩＱ?Ｏ１?１Ｃ?〇１?Ｑ?：??Ｓ１ＢＩ９Ｂ８ＳＢＳ１Ｉ１Ｓ１?．■…：■……二发：＜像气??５腳?ｉｉｌｌｉＳＩＳｌｉ?１１１?…?????■＇…，．｜??１１１?ｔｒ：?；?ｗ：ｚ??〇?ｏｌ?ｌｏ?ｏｌ?ｉｏ?ｂ??ａ）平行流场?ｂ）单蛇形流场?ｃ）多重蛇形流场??１—?＇?／?〇１?ｑ?／：：：：二．：ｌ?＾?＇Ｑ?〇??肩薩＿??ｄ）交叉形流场?ｅ）点状流场?ｆ）螺旋形流场??图１．４?ＤＭＦＣ的各种流场形式??Ｙａｎｇ等［２５］通过实验研宄了单蛇形流道和平行流道对ＤＭＦＣ性能的影响，发??现单蛇形流道比平行流道性能更好，对单蛇形流道设计参数研宄表明，开孔率（流??场流道面积与整个流场面积的比值）和流道长度对电池性能和压降均有显着影响。??在中高浓度的甲醇溶液下，开孔率为５０％的流道性能最好。在低浓度的甲醇溶液??下，开孔率更高的流道性能更好。除此之外，更长的流道性能更好的同时带来了??更大的压降。Ｊｕｎｇ等［２４：＞建立了一个ＣＦＤＲＣ?ｈａｌｆ－ｃｅｌｌ的ＤＭＦＣ阴极仿真模型，研??宄了平行流场、蛇形流场和点状流场流动特性，发现蛇形流场能使反应物分布更??加均匀
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国燃料电池汽车发展问题研究[J]. 刘宗巍,史天泽,郝瀚,赵福全. 汽车技术. 2018(01)
[2]我国新能源发展现状及前景[J]. 李春曦,王佳,叶学民,喻桥. 电力科学与工程. 2012(04)
博士论文
[1]被动式直接甲醇燃料电池结构设计及性能研究[D]. 赖勤志.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]高铂载量高活性低温燃料电池催化剂的制备及其研究[D]. 刘宾.华南理工大学 2012
[2]直接甲醇燃料电池稳定性研究[D]. 刘敏.中南大学 2010
[3]直接甲醇燃料电池膜电极制作及性能研究[D]. 夏朝阳.武汉大学 2004
本文编号：2918046
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１燃料电池的应用（图片来源于互联网）??
Ｃ）燃料电池汽车?ｄ）固定式发电设备??图１．１燃料电池的应用（图片来源于互联网）??ＤＭＦＣ自２０世纪９０年代被发明以来，各国科研工作者对其进行大量的研宄，??取得了长足的发展。ＤＭＦＣ作为供电装置，要实现商用的前提是电池的功率密度??和效率必须达到一个较高的水平，而目前ＤＭＦＣ的功率密度和效率都比较低。??ＤＭＦＣ的功率密度和效率低的原因主要有：甲醇穿透、催化剂活性低和严重的阴??极水淹［１Ｇ１。此外，甲醇在氧化不完全的情况下会生成一氧化碳、甲醛和甲酸等副??产物，一氧化碳会毒化Ｐｔ催化剂，甲醛和甲酸则有一定腐蚀性，因此ＤＭＦＣ的??耐久性较差［１１］。研究发现，ＤＭＦＣ的运行参数和设计参数对功率密度和能量转化??效率影响显著，在现有的催化剂水平下，通过对电池的运行参数和设计参数进行??优化是提高电池的功率密度和效率的有效途径。??１．２直接甲醇燃料电池的工作原理??ＤＭＦＣ是一种能量转化装置
??流场，如图１．４所示［２（）－２４１。除了流场形式，流道的截面设计（包括截面形状和截??面尺寸）、流道的长度、流道的间距和流场的开孔率都对ＤＭＦＣ内部的流动特性??影响显著。??ＩＱ?Ｏ１?１Ｃ?〇１?Ｑ?：??Ｓ１ＢＩ９Ｂ８ＳＢＳ１Ｉ１Ｓ１?．■…：■……二发：＜像气??５腳?ｉｉｌｌｉＳＩＳｌｉ?１１１?…?????■＇…，．｜??１１１?ｔｒ：?；?ｗ：ｚ??〇?ｏｌ?ｌｏ?ｏｌ?ｉｏ?ｂ??ａ）平行流场?ｂ）单蛇形流场?ｃ）多重蛇形流场??１—?＇?／?〇１?ｑ?／：：：：二．：ｌ?＾?＇Ｑ?〇??肩薩＿??ｄ）交叉形流场?ｅ）点状流场?ｆ）螺旋形流场??图１．４?ＤＭＦＣ的各种流场形式??Ｙａｎｇ等［２５］通过实验研宄了单蛇形流道和平行流道对ＤＭＦＣ性能的影响，发??现单蛇形流道比平行流道性能更好，对单蛇形流道设计参数研宄表明，开孔率（流??场流道面积与整个流场面积的比值）和流道长度对电池性能和压降均有显着影响。??在中高浓度的甲醇溶液下，开孔率为５０％的流道性能最好。在低浓度的甲醇溶液??下，开孔率更高的流道性能更好。除此之外，更长的流道性能更好的同时带来了??更大的压降。Ｊｕｎｇ等［２４：＞建立了一个ＣＦＤＲＣ?ｈａｌｆ－ｃｅｌｌ的ＤＭＦＣ阴极仿真模型，研??宄了平行流场、蛇形流场和点状流场流动特性，发现蛇形流场能使反应物分布更??加均匀
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国燃料电池汽车发展问题研究[J]. 刘宗巍,史天泽,郝瀚,赵福全. 汽车技术. 2018(01)
[2]我国新能源发展现状及前景[J]. 李春曦,王佳,叶学民,喻桥. 电力科学与工程. 2012(04)
博士论文
[1]被动式直接甲醇燃料电池结构设计及性能研究[D]. 赖勤志.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]高铂载量高活性低温燃料电池催化剂的制备及其研究[D]. 刘宾.华南理工大学 2012
[2]直接甲醇燃料电池稳定性研究[D]. 刘敏.中南大学 2010
[3]直接甲醇燃料电池膜电极制作及性能研究[D]. 夏朝阳.武汉大学 2004
本文编号：2918046
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