本文關(guān)鍵詞：蒸汽式直接甲醇燃料電池燃料汽化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究

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【摘要】：直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cell,DMFC)作為一種新型便攜式電源,具備替代傳統(tǒng)電源的巨大潛力。本文聚焦蒸汽式直接甲醇燃料電池(Vapor-feed Direct Methanol Fuel Cell,V-DMFC),設(shè)計(jì)出三種燃料汽化系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上開展相關(guān)研究,主要內(nèi)容包括:(1)基于電加熱的燃料汽化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究本文設(shè)計(jì)了基于電加熱燃料汽化系統(tǒng)的半被動(dòng)式V-DMFC(EV-DMFC)單體,并驗(yàn)證了蒸汽作用形式對(duì)于提高電池性能的有效性,同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),EV-DMFC的供料濃度以及加熱溫度均存在一個(gè)最佳值,使得電池在甲醇供給以及甲醇穿透這對(duì)矛盾因素上獲得較好的優(yōu)化效果;而當(dāng)使用高濃度甲醇供料時(shí),在陽極添加燒結(jié)多孔金屬纖維板(Sintered Porous Metal-fiber Plate,SPMFP)作為阻醇層將明顯抑制甲醇穿透,提高電池的輸出性能;同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)忽略電加熱寄生功率損失時(shí),EV-DMFC系統(tǒng)的能量效率將達(dá)到78.4%,相反地,其整體能量效率將降低10%左右。(2)利用催化燃燒輔助供熱的燃料汽化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究本文以甲醇催化燃燒反應(yīng)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出一種基于催化燃燒加熱器的V-DMFC系統(tǒng)(CV-DMFC),通過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn),催化燃燒加熱器的啟動(dòng)特性與氧氣和甲醇的供給速率、催化劑活性因子的含量以及熱負(fù)載參數(shù)有關(guān),并且CV-DMFC具有等同甚至超過EV-DMFC的輸出性能。同時(shí),本文利用滲透汽化技術(shù)對(duì)催化燃燒加熱器的甲醇供給系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,并詳細(xì)研究了滲透汽化膜蒸發(fā)器的甲醇滲透流量以及優(yōu)化后的催化燃燒加熱器的性能影響因素,并使用紅外熱像儀輔助研究了催化燃燒反應(yīng)的啟動(dòng)行為;通過與傳統(tǒng)的鼓泡蒸發(fā)器作對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在電池需求的溫度范圍內(nèi),滲透汽化膜蒸發(fā)器更有利于催化燃燒加熱器的常溫啟動(dòng),而且其加熱性能不受工作方位的影響,對(duì)于空氣流量的階躍響應(yīng)也更加迅速。而通過對(duì)比CV-DMFC與EV-DMFC發(fā)現(xiàn),CV-DMFC的加熱系統(tǒng)沒有溫度過沖現(xiàn)象的發(fā)生,在連續(xù)6h的放電過程中溫度波動(dòng)在2°C以內(nèi)。(3)全被動(dòng)式燃料滲透汽化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究本文提出一種基于滲透汽化技術(shù)的全被動(dòng)式V-DMFC(Fully-Passive Vapor-feed Direct Methanol Fuel Cell,FPV-DMFC)系統(tǒng),通過在該電池的陰極添加了一層具有疏水特性的SPMFP,能夠有效促進(jìn)“陰極水反補(bǔ)”,從而提高電池的輸出性能,尤其是提高了電池的供料濃度,甚至可以實(shí)現(xiàn)純甲醇供料,而若在此基礎(chǔ)上繼續(xù)使用陽極親水層將降低電池的輸出性能。對(duì)于純甲醇供料的FPV-DMFC而言,本文首先提出了一種“陰極水反補(bǔ)”量化分析方法,能夠在不影響電池“自呼吸”狀態(tài)的前提下準(zhǔn)確測得“陰極水反補(bǔ)”流量;然后設(shè)計(jì)了三種陽極加濕方法以解決純甲醇供料時(shí)的陽極缺水問題,包括使用甲醇水溶液、主動(dòng)供水以及使用陰極準(zhǔn)超疏水SPMFP,并且證明利用陰極準(zhǔn)超疏水SPMFP促進(jìn)“陰極水反補(bǔ)”是最有效的陽極加濕方案,而若同時(shí)輔以更大的陰極催化劑載量將完全消除恒流放電過程中的功率衰減現(xiàn)象,同時(shí)進(jìn)一步提高電池性能,上述優(yōu)化機(jī)制使得純甲醇供料的FPV-DMFC最大功率密度達(dá)到了21.5m W cm~(-2)。
【關(guān)鍵詞】：直接甲醇燃料電池 燃料汽化系統(tǒng) 催化燃燒 滲透汽化 燒結(jié)多孔金屬纖維氈
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 主要物理量名稱及符號(hào)表12-15
• 第一章 緒論15-26
• 1.1 本文的選題背景及研究目的15-16
• 1.2 DMFC的分類與結(jié)構(gòu)特征16-17
• 1.3 V-DMFC燃料汽化系統(tǒng)研究現(xiàn)狀17-21
• 1.3.1 半被動(dòng)式V-DMFC燃料汽化系統(tǒng)17-19
• 1.3.2 全被動(dòng)式V-DMFC燃料汽化系統(tǒng)19-21
• 1.4 V-DMFC中的技術(shù)瓶頸及其解決方案21-24
• 1.4.1 甲醇穿透與陽極反應(yīng)物管理21-23
• 1.4.2 陽極缺水與電池水管理23-24
• 1.5 本文的主要內(nèi)容24-25
• 1.6 本文的研究來源25-26
• 第二章 基于電加熱的燃料汽化系統(tǒng)研究26-39
• 2.1 EV-DMFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵組件制備26-28
• 2.2 EV-DMFC性能測試及其影響因素分析28-35
• 2.2.1 測試原理與方法28-30
• 2.2.2 EV-DMFC與L-DMFC性能對(duì)比30-31
• 2.2.3 甲醇濃度對(duì)EV-DMFC的影響31-32
• 2.2.4 溫度對(duì)EV-DMFC的影響32-34
• 2.2.5 質(zhì)子交換膜對(duì)EV-DMFC的影響34-35
• 2.3 陽極多孔阻醇層對(duì)EV-DMFC高濃度供料的優(yōu)化效果35-36
• 2.4 恒流放電測試與EV-DMFC系統(tǒng)效率評(píng)估36-37
• 2.5 本章小結(jié)37-39
• 第三章 利用催化燃燒供熱的燃料汽化系統(tǒng)研究39-72
• 3.1 催化燃燒實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)39-41
• 3.1.1 催化燃燒反應(yīng)原理39
• 3.1.2 催化燃燒催化劑（Pt/Al_2O_3/Ni）的制備39-41
• 3.2 催化燃燒加熱器設(shè)計(jì)與性能研究41-48
• 3.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能測試41-42
• 3.2.2 催化燃燒加熱器加熱性能的影響因素42-48
• 3.3 催化燃燒加熱器與DMFC的系統(tǒng)集成48-51
• 3.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)48
• 3.3.2 CV-DMFC性能研究48-51
• 3.4 基于滲透汽化的催化燃燒供料優(yōu)化51-68
• 3.4.1 滲透汽化工作原理51-53
• 3.4.2 甲醇在滲透汽化膜中的傳質(zhì)能力表征53-55
• 3.4.3 滲透汽化催化燃燒加熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)55-56
• 3.4.4 滲透汽化催化燃燒加熱器中的甲醇滲透流量測試56-59
• 3.4.5 氣體在氣體混合腔中的流動(dòng)形式模擬59-60
• 3.4.6 滲透汽化對(duì)催化燃燒加熱器的優(yōu)化效果60-68
• 3.5 催化燃燒加熱與電加熱的對(duì)比及電池性能研究68-70
• 3.6 本章小結(jié)70-72
• 第四章 全被動(dòng)式燃料滲透汽化系統(tǒng)研究72-98
• 4.1 基于滲透汽化的FPV-DMFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能測試72-74
• 4.2 FPV-DMFC高水平輸出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法74-80
• 4.2.1“陰極水反補(bǔ)”促進(jìn)機(jī)制及其關(guān)鍵功能組件的制備與表征74-75
• 4.2.2 陰極疏水多孔功能層對(duì)FPV-DMFC性能的影響75-77
• 4.2.3 陽極親水與陰極疏水復(fù)合水管理層對(duì)FPV-DMFC性能的影響77-78
• 4.2.4 工作方位對(duì)FPV-DMFC性能的影響78-79
• 4.2.5 FPV-DMFC的恒流放電特性分析79-80
• 4.3 純甲醇供料的FPV-DMFC“陰極水反補(bǔ)”量化分析80-85
• 4.3.1 水反補(bǔ)流量測量原理80-83
• 4.3.2 全被動(dòng)式“陰極水反補(bǔ)”測量方法83-85
• 4.4 純甲醇供料的FPV-DMFC陽極加濕方案85-94
• 4.4.1 方案Ⅰ：使用甲醇水溶液87-88
• 4.4.2 方案Ⅱ：主動(dòng)補(bǔ)水88-89
• 4.4.3 方案Ⅲ：添加陰極（準(zhǔn)）超疏水多孔功能層89-93
• 4.4.4 正交試驗(yàn)93-94
• 4.5 陰極催化劑載量對(duì)純甲醇供料的FPV-DMFC的影響94-96
• 4.6 本章小結(jié)96-98
• 總結(jié)與展望98-100
• 1.本文總結(jié)98-99
• 2.本文的創(chuàng)新點(diǎn)99
• 3.不足與展望99-100
• 參考文獻(xiàn)100-107
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果107-110
• 致謝110-111
• Ⅳ－2答辯委員會(huì)對(duì)論文的評(píng)定意見111

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