管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制

论文摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）直接将甲醇和氧气的化学能转变为电能,无须重整制氢,液体甲醇的体积能量密度高,易于携带和存储,因此DMFC特别适用于便携式电源。目前DMFC的单电池和电堆在结构上采用平板型设计,需要用昂贵的双极板作为反应物输送的流道,以及串联各个单电池向负载输送电子的通道,由于双极板的流道狭窄,需要外围设备来储存、输送反应物用于维持系统正常工作,使得DMFC电堆集成度低,不能满足便携电源的要求。双极板的使用不仅增加了电池堆的制作成本,还给系统的安装、维护带来困难,一个单电池性能下降,必须将其他电池一起拆开,重新组装。针对平板型DMFC的不足,提出了管状直接甲醇燃料电池（TDMFC）的设计概念,在考察了膜电极制备工艺对电池性能影响的基础上,选择喷涂工艺,采用平面膜进行弯曲热压制备了管状膜电极,组装了管状直接甲醇燃料电池和小电堆;为了解决管状燃料电池的密封问题,又采用多孔石英管作为支撑体,用Nafion溶液浸渍制备了管状自支撑质子交换膜,并制备了管状自支撑直接甲醇燃料电池。建立管状直接甲醇燃料电池动态模型,进行数值求解,对管状直接甲醇燃料电池运行中,反应物、产物的浓度分布和温度分布给出动态仿真结果;利用热力学参数分析了燃料电池理论效率和实际效率,对DMFC效率与电流密度等工作条件的关系进行分析。分析阴极水的来源,建立与了空气进口流量、湿度和工作电流密度有关的阴极出口水蒸气浓度动态模型,用神经网络进行系统辨识,利用神经网络预测控制器实现了对TDMFC的阴极水蒸气出口浓度的控制。本论文的主要工作:（1）在考察制备膜电极工艺的基础上,设计制造了用于平面膜制备管状燃料电池的成型夹具,选择喷涂法和弯曲热压工艺制作了TDMFC单电池,组装了一个TDMFC电堆。单电池性能为:电池的阳极催化剂载量为2 mg·cm-2Pt,阴极催化剂载量为3 mg·cm-2Pt-Ru,液态甲醇溶液温度为80℃时,空气自呼吸方式,电池的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.2 直接甲醇燃料电池
• 1.3 燃料电池组的结构
• 1.4 管状质子交换膜型燃料电池的现状
• 1.5 聚合物电解质膜的研究进展
• 1.6 DMFC 的建模和控制研究现状
• 1.7 直接甲醇燃料电池技术目前开发的重点
• 1.8 本文的主要工作内容和创新点
• 第二章 平面膜制备管状DMFC
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与仪器
• 2.3 膜电极制备工艺
• 2.4 管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池
• 2.5 实验结果
• 2.6 管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池性能
• 2.7 小结
• 第三章 管状自支撑质子交换膜的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 SEM 表征结果
• 3.4 STPEM 电导率
• 3.5 管状直接甲醇燃料电池性能
• 3.6 小结
• 第四章 管状直接甲醇燃料电池的建模和仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 管状直接甲醇燃料模型建立
• 4.3 数值仿真和分析
• 4.4 小结
• 第五章 TDMFC 阴极水蒸气浓度的神经网络预测控制
• 5.1 前言
• 5.2 阴极湿度对DMFC 的影响
• 5.3 预测控制
• 5.4 人工神经网络
• 5.5 神经网络预测控制
• 5.6 阴极水蒸气浓度机理建模
• 5.7 系统辨识
• 5.8 基于神经网络的预测控制
• 5.9 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及申请专利