質(zhì)子交換膜燃料電池中兩個(gè)主要類(lèi)別,直接甲醇燃料電池與氫氧燃料電池在各自的領(lǐng)域都是新興型能源裝置中的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)者。直接甲醇燃料電池燃料儲(chǔ)存便利,對(duì)于燃料的補(bǔ)充沒(méi)有任何技術(shù)或安全性門(mén)檻,適用于各種便攜電子器件。而氫氧燃料電池是目前汽車(chē)動(dòng)力領(lǐng)域唯一的鋰電競(jìng)爭(zhēng)者。本論文針對(duì)直接甲醇燃料電池堆結(jié)構(gòu)常見(jiàn)多發(fā)的密封體系不安定問(wèn)題進(jìn)行了多方面的改進(jìn)設(shè)計(jì),并從結(jié)構(gòu)機(jī)制上緩解甚至避免了這些問(wèn)題。對(duì)所設(shè)計(jì)的電堆進(jìn)行了加工制造和測(cè)試,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的有效性。在解決了電堆問(wèn)題后,通過(guò)對(duì)大量極化曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行電極動(dòng)力學(xué)控制方程的參數(shù)擬合,建立了試算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度相符的三維數(shù)值模型。通過(guò)三維數(shù)值模型進(jìn)行了5因素4水平的操作參數(shù)優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn),采用正交實(shí)驗(yàn)的優(yōu)選參數(shù)組合使電池測(cè)試性能提高了 10%。通過(guò)包含166次運(yùn)行,累計(jì)有效壽命達(dá)3135.7小時(shí)的燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試,及運(yùn)行過(guò)程中的多種性能損失行為監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn),燃料電池有效壽命控制因素在不同運(yùn)行階段差別較大,發(fā)生階段性失效現(xiàn)象的原因也各不相同。在單次運(yùn)行過(guò)程中,合理加大陰極側(cè)氧氣壓強(qiáng)可以實(shí)現(xiàn)催化劑活性的提高和傳質(zhì)通道的改善,從而提高燃料電池的有效壽命。Rohm在55℃運(yùn)行溫度階段增加較快,這說(shuō)明較低的溫度下的性能損失主要來(lái)自于膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率損失。實(shí)施質(zhì)子恢復(fù)方案和提高運(yùn)行溫度可以有效緩解Rohm的暫時(shí)性增加,恢復(fù)燃料電池的性能。隨著燃料電池的運(yùn)行時(shí)間增加,陰極水淹現(xiàn)象會(huì)逐漸嚴(yán)重,在較高溫度對(duì)傳質(zhì)能力的影響尤為突出,導(dǎo)致嚴(yán)重的濃差極化。采用陰極通入氮?dú)庾鳛閼?yīng)對(duì)傳質(zhì)能力暫時(shí)性下降的恢復(fù)方案可以有效恢復(fù)燃料電池因陰極水淹造成的性能損失。而催化劑的活性損失屬于永久型性能損失,最終導(dǎo)致燃料電池的失效�？偟膩�(lái)說(shuō),造成燃料電池性能衰減的控制因素隨運(yùn)行階段不同而有較大差別,明確運(yùn)行條件與不同性能損失行為之間的關(guān)系,合理實(shí)施恢復(fù)方案,能夠有效提高DM-PEMFC的有效壽命。為解決膜電極制備穩(wěn)定性不足,不合格品危害大又難以在裝配測(cè)試前檢出的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了膜電極無(wú)損檢測(cè)設(shè)備,并進(jìn)行了檢測(cè)方案論證,達(dá)到了 16片同批次膜電極中3片不合格品提前100%檢出且不對(duì)正常膜電極性能產(chǎn)生任何不利影響的目的。在膜電極無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的保障下,進(jìn)行了多因素壽命預(yù)測(cè)方案研究。通過(guò)對(duì)極化曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行電化學(xué)活化過(guò)電位、歐姆過(guò)電位和濃差過(guò)電位的拆分,提取了三個(gè)獨(dú)立變化的壽命影響因素,并研究和分析了基于這三個(gè)因素的壽命預(yù)測(cè)方案。相對(duì)于傳統(tǒng)的平均衰減率外推法,此方案更能反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中隱藏的電極動(dòng)力學(xué)變化趨勢(shì),對(duì)于50%性能損失壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比誤差小于4%。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TM911.4
【部分圖文】：

２．１燃料電池概述??燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換裝置，具有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)電??極。如圖２－１所示電極是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，每個(gè)電極上有都促使電化??學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生的催化劑，而電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子將通過(guò)電解質(zhì)到??達(dá)相對(duì)的另一個(gè)電極，同時(shí)電子通過(guò)外電路形成電流，驅(qū)動(dòng)外電路所連接的??負(fù)載電子設(shè)備工作，該電流最終返回燃料電池，完成電路。產(chǎn)生電流的電化??學(xué)反應(yīng)是決定燃料電池工作特性的關(guān)鍵。??Ｌｏａｄ???????Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｆｕｅｌ?＾???Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｏｘｉｄａｎｔ?ａｎｄ??ｏｕ＾ｕｔ?’一?珍?＾?ｐｒｏｄｕｃｅｓ?ｏｕｔｐｕｔ??＾ＩＨＴ７??Ｈｉ－ｅ］??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??圖２－１燃料電池工作原理示意圖Ｗ??氫和氧是維持燃料電池工作的基本燃料。燃料電池的一個(gè)巨大吸引力在??于用于發(fā)電的大部分氫和氧最終結(jié)合在一起形成無(wú)污染的水。然而單個(gè)燃料??電池產(chǎn)生較小的輸出電壓，這使得許多燃料電池通常需要堆疊組裝成如圖２??所示的電堆使用。??ＣＵｉｍｐｉｎｆ?ｐＵｔｅ??Ｉ?Ｇａｓｋｔｔ??＇?Ｂｉｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ??Ｗ?ＭＥＡ?ｗｉｔｈ?Ｇ？ｓｋｃｔ??圖２－２燃料電池單池堆疊成電堆結(jié)構(gòu)示意圖ｌ７］??－２－??

２．１燃料電池概述??燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換裝置，具有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)電??極。如圖２－１所示電極是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，每個(gè)電極上有都促使電化??學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生的催化劑，而電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子將通過(guò)電解質(zhì)到??達(dá)相對(duì)的另一個(gè)電極，同時(shí)電子通過(guò)外電路形成電流，驅(qū)動(dòng)外電路所連接的??負(fù)載電子設(shè)備工作，該電流最終返回燃料電池，完成電路。產(chǎn)生電流的電化??學(xué)反應(yīng)是決定燃料電池工作特性的關(guān)鍵。??Ｌｏａｄ???????Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｆｕｅｌ?＾???Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｏｘｉｄａｎｔ?ａｎｄ??ｏｕ＾ｕｔ?’一?珍?＾?ｐｒｏｄｕｃｅｓ?ｏｕｔｐｕｔ??＾ＩＨＴ７??Ｈｉ－ｅ］??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??圖２－１燃料電池工作原理示意圖Ｗ??氫和氧是維持燃料電池工作的基本燃料。燃料電池的一個(gè)巨大吸引力在??于用于發(fā)電的大部分氫和氧最終結(jié)合在一起形成無(wú)污染的水。然而單個(gè)燃料??電池產(chǎn)生較小的輸出電壓，這使得許多燃料電池通常需要堆疊組裝成如圖２??所示的電堆使用。??ＣＵｉｍｐｉｎｆ?ｐＵｔｅ??Ｉ?Ｇａｓｋｔｔ??＇?Ｂｉｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ??Ｗ?ＭＥＡ?ｗｉｔｈ?Ｇ？ｓｋｃｔ??圖２－２燃料電池單池堆疊成電堆結(jié)構(gòu)示意圖ｌ７］??－２－??

步提高系統(tǒng)效率，這使得燃料電池在從燃料中提取能量方面具有更高的理論??效率。??堿性燃料電池（ＡＦＣ）工作原理如圖２－３所示，在通入壓縮氫氣和氧氣??的條件下運(yùn)行，通常使用氫氧化鉀水溶液作為電解質(zhì)，工作溫度為２０￣８０°Ｃ。??電池輸出范圍從３００?Ｗ？５?ｋＷ。在美國(guó)宇航局的阿波羅計(jì)劃中曾使用堿性電??池來(lái)為宇航倉(cāng)提供電力和飲用水。然而，液態(tài)的水溶液電解質(zhì)使其存在電解??液泄露的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)催化劑利用率也較低。??Ａｌｋａｌｉ??Ｆｕｅｌ?Ｃｅｌｌ??Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?一＾?▲?—＾??Ｆｌｗ??Ａ／＼Ａｙ???卞?Ｌ〇ｄｄ?４??Ｈｙｄｒｏｇｅｎ?［？?〇ｔ?｜?愈會(huì)?＾ｂｌ＇ｌ〇＊ｖＢｅｎ??°?＾＿?ｔｏｎｓ??衂００６?Ｅｌｅａｒｏｙｔｏ??圖２－３?ＡＦＣ工作原理示意圖丨８】??－３－??
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本文編號(hào)：2836035