在能源問(wèn)題備受關(guān)注的當(dāng)今,更高效、更環(huán)保、更便攜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能源易得的微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC）憑借其種種優(yōu)勢(shì)成為社會(huì)各界廣泛研究的對(duì)象。但在實(shí)現(xiàn)μDMFC商業(yè)化的道路上仍有重重阻礙,如燃料電池系統(tǒng)水管理問(wèn)題,催化劑催化活性問(wèn)題等。本文研究圍繞陰極催化層的潤(rùn)濕特性展開(kāi),通過(guò)建立二維傳質(zhì)模型對(duì)陰極催化層結(jié)構(gòu)給μDMFC性能造成的影響進(jìn)行理論研究,并制備具有不同結(jié)構(gòu)的陰極催化層,通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)其在電池系統(tǒng)中的影響進(jìn)行測(cè)試和分析。本文建立μDMFC二維兩相傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,對(duì)電池內(nèi)部傳質(zhì)情況進(jìn)行了分析,并進(jìn)一步驗(yàn)證陰極催化層結(jié)構(gòu)對(duì)電池傳質(zhì)情況帶來(lái)的影響。根據(jù)仿真結(jié)果可知,呈親水性的陰極催化層可以抑制水的滲透現(xiàn)象,降低陰極擴(kuò)散層內(nèi)水的濃度,有利于氧氣的傳質(zhì),同時(shí)可以減少甲醇滲透;另一方面,孔隙率較小的陰極催化層結(jié)構(gòu)可以抑制水和甲醇的滲透,改善μDMFC的水管理問(wèn)題。在理論仿真的基礎(chǔ)上,本文制備了具有親水特性的氮摻雜碳材料,XPS測(cè)試結(jié)果表明200℃下燒制的碳材料具有最高的氮含量;以潤(rùn)濕特性不同的碳粉和氮摻雜碳材料為載體制備鉑... 

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【文章頁(yè)數(shù)】：68 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

陰極水淹現(xiàn)象示意圖[7]

的影響[25]。通過(guò)DMFC的兩相傳質(zhì)模型，研究人員可以通過(guò)模型仿真清晰的得到電池內(nèi)部液態(tài)水的分布情況和傳質(zhì)情況，這有利于對(duì)DMFC水管理情況進(jìn)行分析和研究。陰極反應(yīng)生成、水的滲透和甲醇的滲透使得液態(tài)水大量聚集在陰極內(nèi)部，如果不能及時(shí)排出，便會(huì)造成水淹。因此研究人員通過(guò)改善質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陰極擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)水管理，即設(shè)法讓陰極內(nèi)部的水從流道排出或穿過(guò)質(zhì)子交換膜返還回陽(yáng)極[26]。鄧慧超分析了電池的水管理情況，分別對(duì)陰極催化層、氣體擴(kuò)散層和陰極集流板三個(gè)燃料電池基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其中如圖1-2所示的“十字型”陰極集流板結(jié)構(gòu)使陰極的排水能力得到提升，從而改善了燃料電池的性能[27]。圖1-2“十字型”陰極集流板模型幾何圖[27]何洪建立了μDMFC二維兩相模型，仿真結(jié)果證明當(dāng)陰極內(nèi)部液體壓強(qiáng)超過(guò)陽(yáng)極時(shí)，液態(tài)水會(huì)實(shí)現(xiàn)由陰極到陽(yáng)極的反向傳輸，使燃料電池的性能和穩(wěn)定性得到提升[28]。張曙斌設(shè)計(jì)了一種新型膜電極，通過(guò)建立模型分析該結(jié)構(gòu)對(duì)電池內(nèi)部傳

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-5-質(zhì)情況的影響，結(jié)論是帶有吸水層的膜電極結(jié)構(gòu)使電池內(nèi)阻減小的同時(shí)也使水滲透減少，該結(jié)構(gòu)對(duì)DMFC水管理具有積極意義，具有不同結(jié)構(gòu)MEA的DMFC水滲透量如圖1-3所示[29]。（a）普通MEA（b）帶有吸水層的MEA圖1-3具有不同結(jié)構(gòu)MEA的DMFC水滲透通量圖[29]Nam等人對(duì)PEMFC內(nèi)部水的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行了研究，并利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述和分析，探究了孔隙率和毛細(xì)壓力對(duì)傳質(zhì)情況的影響，并得出PEMFC在具有兩層不同種類擴(kuò)散介質(zhì)的情況下達(dá)到最佳性能[30]。Yan等人利用三維非穩(wěn)態(tài)兩相模型驗(yàn)證了氣體擴(kuò)散層的潤(rùn)濕特性會(huì)對(duì)液態(tài)水的傳質(zhì)造成影響[31]。Niu等人則建立三維兩相數(shù)學(xué)模型證明了氣體擴(kuò)散層的接觸角是決定液體在高壓通道中的流動(dòng)情況的重要參數(shù)[32]。1.2.2μDMFC水管理問(wèn)題的研究當(dāng)前的μDMFC性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論水平，這是因?yàn)檫�有許多影響其性能的核心問(wèn)題未能解決，特別是在兩相流管理、甲醇滲透、電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面仍需要更深入的研究。其中，燃料電池的水管理情況被認(rèn)為是改善其性能的重要因素，許多研究人員對(duì)此進(jìn)行了探究。改善μDMFC水管理問(wèn)題的核心是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的“水平衡”，從而實(shí)現(xiàn)電池性能的提升。μDMFC的水管理重點(diǎn)在于陰極水過(guò)多且無(wú)法及時(shí)排出，容易導(dǎo)致“水淹”現(xiàn)象，對(duì)此研究人員進(jìn)行了多種方法的探究。WeiYuan等人對(duì)比了超親水和超疏水陰極多孔流場(chǎng)對(duì)DMFC水管理的影響，結(jié)論是超親水流場(chǎng)有利于排水，在較低的甲醇濃度下表現(xiàn)較好，而超疏水流場(chǎng)能夠增強(qiáng)來(lái)自陰極水的回流，減少甲醇滲透并提高燃料利用效率[33]。Wang,ZG等人使用Al2SiO3和Al2O3制成了超親水涂層涂在擴(kuò)散層表面，其排水效果如圖1-4所示，超親水流場(chǎng)使陰極生成的水在

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碩士論文
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