超疏水多孔流场板的制造及在被动式直接甲醇燃料电池中的作用机理

发布时间：2017-07-19 21:03

  本文关键词：超疏水多孔流场板的制造及在被动式直接甲醇燃料电池中的作用机理

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【摘要】：能源是国民经济发展的物质基础,是人类社会向前发展的动力。随着生产力水平的提高,人类逐渐意识到传统化石燃料终将面临枯竭的一天,且释放能量过程受到卡诺循环的限制。被动式自呼吸直接甲醇燃料电池(PAB-DMFC)具有结构简单、能量密度高、启动时间短等优点,是能源科学和电化学领域的研究热点。然而,PAB-DMFC普遍存在甲醇穿透、CO_2管理和水管理等方面的技术挑战,严重限制电池性能的进一步提高。介于此,本文从组件浸润性的角度出发,引入超疏水多孔金属材料作为阳极多孔流场板对电池结构进行优化并研究其对电池性能的作用机理,主要内容包括:(1)超疏水多孔流场板的制造及浸润性研究在传统浸泡法的基础上,引入烧结工艺制备出具有较高界面结合强度的铜表面超疏水结构,并研究了氧化时间、烧结温度、保温时间和修饰时间等关键工艺参数对材料表面微观形貌和超疏水性能的影响。采用多齿切削与高温固相烧结制备出多孔金属纤维毡,并采用改进型浸泡法对其进行浸润性改性处理制备出超疏水多孔流场板。(2)超疏水多孔流场板的结构与性能研究通过单向拉伸试验研究多孔金属纤维毡的力学行为,并探索了结构参数(纤维长度和孔隙率)以及自然时效处理对材料力学性能的影响规律。通过压迫流体流动的方法系统研究了多孔流场板的渗透性能。采用经典伏安法研究浸润性及结构差异对多孔流场板导电性能影响。通过超声波震荡法破坏材料表面微观形貌来表征超疏水层的界面结合强度。针对电池内部复杂工作环境,对超疏水多孔流场板的耐酸腐蚀、耐有机腐蚀和耐热性能等性能进行了系列表征及评估。(3)超疏水多孔流场板在PAB-DMFC中的性能研究通过与采用传统结构的PAB-DMFC进行比较,分析了超疏水多孔流场板在阻醇和两相流管理方面的功能特性,详细讨论结构参数(孔隙率和厚度)对电池性能的影响机制。针对集成超疏水多孔流场板的PAB-DMFC,系统研究了集电板结构及外部操作因素(甲醇浓度和操作方位)对电池性能的影响规律。与超亲水多孔流场板组合形成复合浸润性多孔流场板,探索在不同装配方式和孔隙率下的电池性能表现。
【关键词】：被动式直接甲醇燃料电池 多孔流场板 超疏水 两相流 阻醇
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 主要符号表及缩略词11-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 课题背景与研究意义13-14
• 1.2 被动式直接甲醇燃料电池的工作原理与基本结构14-16
• 1.3 被动式直接甲醇燃料电池面临的技术挑战16-18
• 1.3.1 甲醇穿透16-17
• 1.3.2 阳极CO_2管理17-18
• 1.3.3 阴极水管理18
• 1.4 浸润性对甲醇燃料电池性能影响研究现状18-22
• 1.5 超疏水表面制备方法研究进展22-23
• 1.6 课题来源与研究内容23-25
• 1.6.1 课题来源23-24
• 1.6.2 研究内容24-25
• 第二章 超疏水多孔流场板的制造及浸润性研究25-45
• 2.1 引言25
• 2.2 铜基材料表面的超疏水化处理工艺25-31
• 2.3 工艺参数对材料表面微观形貌和超疏水性能的影响31-37
• 2.3.1 碱辅助表面氧化时间的影响31-33
• 2.3.2 固相烧结温度的影响33-35
• 2.3.3 保温时间的影响35-36
• 2.3.4 低表面能修饰时间的影响36-37
• 2.4 多孔金属纤维毡的制造工艺37-41
• 2.4.1 多齿切削金属纤维37-38
• 2.4.2 高温固相烧结多孔金属纤维毡38-41
• 2.5 多孔金属纤维毡的超疏水化处理工艺41-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第三章 超疏水多孔流场板的结构与性能研究45-61
• 3.1 引言45
• 3.2 超疏水多孔流场板的力学性能45-49
• 3.2.1 试验方法45-47
• 3.2.2 纤维长度对PMFSS力学性能的影响47-48
• 3.2.3 自然时效处理对PMFSS力学性能的影响48-49
• 3.3 超疏水多孔流场板的压降特性49-52
• 3.4 超疏水多孔流场板的导电性52-54
• 3.5 超疏水多孔流场板界面结合强度表征54-56
• 3.6 超疏水多孔流场板稳定性研究56-59
• 3.6.1 抗酸腐蚀性能56-58
• 3.6.2 耐有机腐蚀性能58
• 3.6.3 耐热破坏能力58-59
• 3.7 本章小结59-61
• 第四章 超疏水多孔流场板在PAB-DMFC中的性能研究61-85
• 4.1 PAB-DMFC的结构设计及制造61-65
• 4.2 测试条件及实验策略65-66
• 4.3 超疏水多孔流场板对PAB-DMFC性能的影响66-70
• 4.3.1 SHOPFD结构对PAB-DMFC极化特性的影响66-68
• 4.3.2 具有SHOPFD的PAB-DMFC开路特性曲线68-69
• 4.3.3 基于SHOPFD的PAB-DMFC动态特性69-70
• 4.4 SHOPFD孔隙率对PAB-DMFC性能的影响70-71
• 4.5 SHOPFD厚度对PAB-DMFC性能的影响71-72
• 4.6 集电板结构对基于SHOPFD的PAB-DMFC性能的影响72-74
• 4.7 甲醇浓度对PAB-DMFC性能的影响74-75
• 4.8 操作方位对PAB-DMFC性能的影响75-77
• 4.9 CWPFD对PAB-DMFC性能的影响77-83
• 4.9.1 CWPFD对PAB-DMFC性能的影响77-79
• 4.9.2 CWPFD孔隙率对DMFC性能的影响79-82
• 4.9.3 基于CWPFD的PAB-DMFC动态特性82-83
• 4.10 本章小结83-85
• 结论与展望85-87
• 参考文献87-94
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果94-96
• 致谢96-97
• Ⅳ－2答辩委员会对论文的评定意见97

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本文编号：564805