發(fā)布時間：2017-10-13 12:07

  本文關(guān)鍵詞：高溫質(zhì)子交換膜燃料電池宏觀傳質(zhì)及電池特性試驗

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【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池是近年來備受關(guān)注的一種能夠為燃料與氧化劑提供反應(yīng)場所,將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能新型能源轉(zhuǎn)換裝置,它具有能量轉(zhuǎn)換效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點。本文主要研究對象為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池,其不但具有上述質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點,還因為其較高的工作溫度簡化了燃料電池生成水的管理、催化劑受CO中毒影響較小、燃料無需進行加濕處理等優(yōu)點。成功地解決了常溫質(zhì)子交換膜燃料電池的諸多弊端,使其成為現(xiàn)今研究的熱點。雖然高溫燃料電池擁有諸多優(yōu)點,但是因其成本太高,對環(huán)境變化的適應(yīng)度低,使用壽命較傳統(tǒng)裝置較短等因素,而不能進行普遍地推廣應(yīng)用,這是燃料電池領(lǐng)域急需科研人員突破的瓶頸。論文在閱讀大量有關(guān)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池資料及有關(guān)文獻的基礎(chǔ)上,歸納和總結(jié)了高溫燃料電池的工作原理、優(yōu)點及用途,詳細介紹了高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵零部件和電池內(nèi)傳熱傳質(zhì)的理論基礎(chǔ)。論文搭建高溫質(zhì)子交換膜燃料電池測試系統(tǒng),并對高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的性能進行了相關(guān)的測試。論文構(gòu)建高溫質(zhì)子交換膜燃料電池數(shù)學(xué)模型并進行相關(guān)模擬分析。論文制備了三種酸化時摻雜不同體積分數(shù)的硫酸的PBI膜,并將三種膜分別裝入燃料電池中,分別對三種PBI膜組成的高溫燃料電池的性能進行了測試,對比分析了由硫酸含量不同引起的差異。通過掃描電子顯微鏡及三維顯微鏡對經(jīng)試驗使用之后的PBI膜及高溫碳紙進行相關(guān)的掃描并拍攝照片進行對比分析。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著硫酸摻雜量的增加,高溫燃料電池的性能逐漸衰退;電池的歐姆阻抗及法拉第阻抗均有所增大;隨著硫酸摻雜量的增加,電池的最佳操作溫度不再是隨著工作溫度的升高而升高;同時經(jīng)過電子顯微鏡照片對比看出,硫酸含量越高,高溫碳紙上的催化劑聚集現(xiàn)象越嚴重,影響了高溫燃料電池的性能。論文在前人研究的常溫質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上,根據(jù)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的特性,構(gòu)建了二維單相傳質(zhì)模型。模擬了高溫燃料電池在不同的工作溫度、不同的擴散層空隙率下的電流密度及電池陰極的反應(yīng)物和生成物濃度分布。模擬結(jié)果顯示:通過提高電池工作溫度可以促進陰極中氧氣的消耗與水蒸氣的生成,氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電子也會相應(yīng)增加;通過增大擴散層的孔隙率,可以加快氣體流通的速度,陰極中生成的水蒸氣濃度有所降低,有利于生成物的排出,促進反應(yīng)的進行,使氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流密度有所提高。模擬結(jié)果對優(yōu)化高溫質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)和提高膜電極性能等方面具有重要作用。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子交換膜 燃料電池 聚苯并咪唑 摻雜 傳質(zhì) 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：沈陽建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-33
• 1.1 燃料電池發(fā)展史11-13
• 1.2 燃料電池類型及原理13-14
• 1.2.1 燃料電池的分類13
• 1.2.2 燃料電池的工作原理13-14
• 1.3 燃料電池主要部件14-18
• 1.3.1 質(zhì)子交換膜（PBI膜）14-15
• 1.3.2 高溫碳紙15-16
• 1.3.3 雙極板及流場16-18
• 1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池的理論計算18-25
• 1.4.1 燃料電池的理論特性18-20
• 1.4.2 極化作用20-23
• 1.4.3 PEM燃料電池的效率23-25
• 1.5 質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀25-32
• 1.5.1 燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀25-28
• 1.5.2 燃料電池研究現(xiàn)狀28-32
• 1.6 本文研究內(nèi)容32-33
• 第二章 燃料電池試驗裝置33-43
• 2.1 燃料電池測試裝置33-36
• 2.1.1 燃料電池系統(tǒng)概述33-34
• 2.1.2 保溫管34-35
• 2.1.3 氣體減壓閥35
• 2.1.4 電子負載35-36
• 2.2 試驗裝置的操作36-43
• 2.2.1 燃料電池部件的預(yù)處理36-37
• 2.2.2 HT-PEM燃料電池單體及組裝37-38
• 2.2.3 膜電極的活化38-39
• 2.2.4 設(shè)定電池的工作參數(shù)39-40
• 2.2.5 V-I曲線測控界面40-41
• 2.2.6 試驗數(shù)據(jù)的處理41-42
• 2.2.7 電子顯微鏡42-43
• 第三章 HT-PEM燃料電池測試試驗43-57
• 3.1 高溫燃料電池中的PBI膜43-44
• 3.1.1 PBI膜介紹43
• 3.1.2 PBI膜酸化處理43-44
• 3.2 高溫燃料電池試驗44-46
• 3.2.1 試驗?zāi)康?/span>44-45
• 3.2.2 試驗方法45-46
• 3.3 試驗與分析46-55
• 3.3.1 V-I曲線46-49
• 3.3.2 阻抗測試49-50
• 3.3.3 阻抗分析曲線50-53
• 3.3.4 三種不同膜及碳紙的電鏡照片53-55
• 3.4 本章小結(jié)55-57
• 第四章 HT-PEM燃料電池模擬分析57-86
• 4.1 HT-PEMFC數(shù)學(xué)模型59-67
• 4.1.1 模擬區(qū)域概述59-60
• 4.1.2 相關(guān)計算方程60-65
• 4.1.3 邊界條件65-67
• 4.2 劃分網(wǎng)格67-69
• 4.3 結(jié)果分析與討論69-83
• 4.3.1 模擬與試驗的曲線對比70-71
• 4.3.2 不同溫度下燃料電池的模擬結(jié)果與分析71-78
• 4.3.3 不同擴散層孔隙率下的燃料電池的模擬結(jié)果與分析78-83
• 4.4 本章小結(jié)83-86
• 第五章 結(jié)論與展望86-88
• 5.1 結(jié)論86
• 5.2 展望86-88
• 參考文獻88-94
• 作者簡介94
• 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文94-96
• 致謝96-97

【參考文獻】

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本文編號：1024743