直接甲醇燃料电池膜电极的关键材料与模型模拟研究

论文摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）是目前最具有市场应用前景的新能源之一。膜电极是直接甲醇燃料电池的核心部件,通过实验和模型模拟研究对于优化直接甲醇燃料电池的膜电极结构、提高电池的放电性能具有重要的研究意义。本论文从模型模拟和实验两个角度出发,旨在深入研究和识别膜电极的内部结构与电池宏观性能之间的构效关系。在直接甲醇燃料电池的参数统计分析和优化管理、膜电极关键材料的制备与表征、单电池的放电性能、模型模拟等方面分别做了系统性和具体化的研究与探讨,以提高膜电极的电池性能、稳定性和能源效率,为膜电极及电池结构优化设计提供指导。根据直接甲醇燃料电池参数的特性,将其划分为几何参数、物性参数、工作参数、常量参数四个类别。为了更好的对参数进行优化管理,我们建立参数分级模型,根据电池的性能与参数的偏导数函数将参数分成零级参数、一级参数、二级参数和三级参数。对于不同级别的参数,我们给予了相应的参数优化管理策略。该项研究工作为论文的研究方向做了有效的指导,确定研究工作的重点是在膜电极部分,并选择膜材料作为膜电极的关键材料进行研究。采用无机-有机杂化法对Nafion（?）进行改性,通过流延法制备得到了钛酸钠纳米管/Nafion（?）新型复合膜,并且对其微观结构和材料性能进行了表征和测试。研究结果表明,钛酸钠纳米管/Nafion（?）复合膜具有良好的高温保水能力,可以有效降低甲醇渗透系数高达一个数量级,同时提高相对选择性2-5倍,对钛酸钠纳米管/Nafion（?）新型复合膜的作用机理进行了探讨和分析。通过热压法制备了5wt.%钛酸钠纳米管含量的膜电极,测试和分析了复合膜的单电池放电性能。实验结果表明新复合膜的单电池性能要优于纯Nafion膜,同时考察了电池温度、阴极加湿温度、甲醇浓度、甲醇流速和空气流速5个操作参数对燃料电池性能的影响。电池阴极交流阻抗图谱结果表明Na2Ti3O7/Nafion（?）复合膜的阻抗明显低于Nafion（?）膜,成功降低了膜中的甲醇穿透,这主要是因为降低了电荷转移电阻,同时保护了阴极氧还原反应的有效面积。建立了直接甲醇燃料单电池模型,通过与实验数据的比较来验证模型和数值模拟方法的有效性。主要考察了甲醇的穿透的作用、阳极甲醇溶液和阴极氧气在膜电极中的浓度分布。结论是由于甲醇穿透的存在,在一定程度上降低了电池的性能。阳极甲醇进料浓度的增大会提高甲醇的穿透。改变电池的操作条件可以降低甲醇穿透的影响,从而提高电池性能。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.1.1 氢能与燃料电池
• 1.1.2 燃料电池的本质
• 1.1.3 发展历程
• 1.1.4 结构
• 1.1.5 原理
• 1.1.6 特点
• 1.1.7 分类
• 1.1.8 发展现状
• 1.1.9 面临挑战
• 1.2 直接甲醇燃料电池
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 工作原理
• 1.2.3 市场与应用
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 研究进展
• 1.3.1 膜电极制备
• 1.3.2 阻醇膜的研究综述
• 1.3.3 模型模拟研究
• 1.4 选题与研究思路
• 1.4.1 选题的意义
• 1.4.2 研究思路
• 2 参数优化管理与分级模型
• 2.1 参数分类
• 2.1.1 电池工作机理
• 2.1.2 几何参数
• 2.1.3 物性参数
• 2.1.4 工作参数
• 2.1.5 常量参数
• 2.1.6 参数分析
• 2.2 分级模型
• 2.2.1 模型预处理
• 2.2.2 零级参数
• 2.2.3 一级参数
• 2.2.4 二级参数
• 2.2.5 三级参数
• 2.3 参数优化管理
• 2.3.1 优化管理步骤
• 2.3.2 分级模型结果
• 2.4 本章小结
• 3 钛酸钠纳米管/Nafion复合膜的制备
• 3.1 改性材料
• 3.2 实验材料
• 3.3 实验仪器
• 3.4 实验步骤
• 3.4.1 Nafion溶液的预处理
• 3.4.2 钛酸钠/Nafion复合膜的制备
• 3.5 表征与测试方法
• 3.5.1 红外光谱
• 3.5.2 拉曼光谱
• 3.5.3 XRD
• 3.5.4 SEM
• 3.5.5 TEM
• 3.5.6 电导率
• 3.5.7 透醇率
• 3.5.8 含水率
• 3.5.9 溶胀度
• 3.5.10 机械性能
• 3.6 结果与讨论
• 3.6.1 铁酸钠纳米管的表征结果
• 3.6.2 钛酸钠纳米管含量的优化
• 3.6.3 钛酸钠纳米管/Nafion复合膜
• 3.6.4 机理探讨和分析
• 3.7 本章小结
• 4 单电池性能测试
• 4.1 实验仪器和系统
• 4.1.1 燃料电池测试系统和装置
• 4.1.2 交流阻抗测量
• 4.2 实验方法与步骤
• 4.2.1 膜电极（MEA）的制备
• 4.2.2 单电池的组装及性能测试方法
• 4.2.3 甲醇溶液的配制
• 4.2.4 电池的活化
• 4.2.5 寻找电池的工作稳态
• 4.3 测试结果与讨论
• 4.3.1 电池温度对电池性能的影响
• 4.3.2 阴极加湿温度对电池性能的影响
• 4.3.3 甲醇浓度对电池性能的影响
• 4.3.4 甲醇流速对电池性能的影响
• 4.3.5 空气流速对电池性能的影响
• 4.3.6 参数优化
• 4.3.7 单电池性能对比
• 4.3.8 交流阻抗
• 4.3.9 燃料电池效率
• 4.4 本章小结
• 5 模型与模拟
• 5.1 理论模型
• 5.1.1 基本假设
• 5.1.2 物理模型
• 5.1.3 控制方程
• 5.1.4 边界条件
• 5.1.5 模型参数
• 5.2 数值模拟的结果与讨论
• 5.2.1 结果验证
• 5.2.2 甲醇渗透的作用
• 5.2.3 甲醇的分布
• 5.2.4 氧气的分布
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 6.1 研究内容成果
• 6.2 未来工作建议
• 参考文献
• 附录A 实验数据
• 附录B 主要程序代码
• 个人简历
• 学位论文数据集