被动式自呼吸直接甲醇燃料电池温度特性及可视化实验研究

论文摘要

随着世界人口的迅速增长和人均能源消耗量的持续增大,全球性能源短缺问题日趋突出。与此同时,日益严重的环境污染问题也成为倍受人们关注的焦点。如果没有新型能源动力,世界将从目前的能源短缺很快走向能源枯竭,因此发展清洁、高效的新能源动力技术是刻不容缓的。燃料电池以其高效和清洁的特点为人们带来了曙光,其中直接甲醇燃料电池(DMFC)作为新型的便携能源,具有结构紧凑、环境友好、方便持久、能量密度高等优点,是一种具有广阔市场应用前景的高新技术,正成为电化学和能源科学里的一个研究热点。被动式自呼吸DMFC阴极不需要外部辅助设备(如泵或风扇)的帮助,就可以从氧气中获得氧化剂;阳极甲醇存储在紧贴在阳极基板的燃料罐内,通过浓度梯度可以到达阳极催化层表面。被动式自呼吸DMFC以其高的可靠性、低成本、简单的结构、高的燃料利用率以及高的能量密度等特点,成为未来移动设备首选的电源。本课题利用亚克力制作电池夹具和燃料罐,利用碳纸、Nafion 117等制备MEA,利用不锈钢材料加工流场板,组装完成有效面积为4.41 cm2的被动式自呼吸DMFC,并对该电池进行了性能研究、可视化实验和温度特性研究。探讨了催化剂种类、Nafion膜材料、扩散层材料、甲醇浓度、环境温度、环境湿度等因素对于电池性能的影响;可视化研究了放电电流、环境温度、环境湿度等参数对于阴极液滴生成规律的影响;讨论了甲醇浓度、放电电流对于电池温度特性的影响,并研究了该电池的能量效率特性。主要研究成果如下:①对电池进行了一系列的性能实验并对电池进行优化,发现在制作MEA催化层时,碳黑担载量为15wt %时电池性能较好;由于浓差极化和甲醇渗透的共同作用,随着甲醇浓度的增加,电池功率密度先上升后下降,在甲醇浓度为4 mol/L时电池性能最佳;与碳纸相比,碳布孔隙分布较均匀,喷涂扩散层和催化层时物质分布更加均匀,传质阻力较小,电池性能较好;Nafion膜越薄,甲醇渗透就越严重,当膜薄到一定程度时,甲醇渗透致使电池性能急剧下降;②周围环境相对湿度对于电池性能的影响取决于环境温度:当环境温度低于10℃时,相对湿度对于燃料电池性能影响很小;当环境温度为20℃和35℃时,可以发现,在低电流区域和中电流区域,湿度对于燃料电池的性能影响也不大;而在高电流区域,燃料电池的性能随着相对湿度的增加而变差;当环境温度为50℃时,在低电流区域电池的性能随着相对湿度的增加而变好,在高电流区域,燃料电池的性能随着湿度的增加而变差;③随着周围环境温度的升高,燃料电池的性能明显提高;④随着放电的进行,阴极侧液体分布从分散的小液滴到聚合形成大液滴,直到形成液膜最后覆盖整个呼吸孔,造成严重的阴极水淹现象;同一放电时刻,随着电流密度的增大,液体覆盖率增大;温度一定时,湿度越大越易引起阴极水淹;湿度一定时,温度越低越易引起阴极水淹;⑤注入燃料后,电池电压迅速上升,然后缓慢下降,最后又略有回升;而电池温度先迅速上升,升高速度渐缓,最后达到稳定;放电开始瞬间,电池电压突降,随着放电的进行缓慢下降,电池温度先升高后下降;电池温度随着放电电流密度和甲醇浓度的增大而变大;⑥随着温度的提高,电池能量效率显著提高;随着相对湿度、甲醇浓度和放电电流的增加,电池能量效率显著降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 燃料电池概述
• 1.1.2 燃料电池分类
• 1.1.3 燃料电池的特点与应用
• 1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.3 质子交换膜燃料电池可视化研究现状
• 1.3.1 阳极两相流动的可视化研究
• 1.3.2 阴极两相流动的可视化研究
• 1.3.3 扩散层润湿性研究
• 1.3.4 水在扩散层中的传输机理
• 1.3.5 实验可视化的方法
• 1.3.6 可视化实验研究工作小结
• 1.4 微型直接甲醇燃料电池（ΜDMFC）研究现状
• 1.4.1 μDMFC 国内外应用研究现状
• 1.4.2 μDMFC 结构研究概况
• 1.4.3 μDMFC 存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容和研究目的
• 1.5.1 本文的主要研究内容
• 1.5.2 本文的研究目的和意义
• 2 实验装置及实验方法
• 2.1 膜电极（MEA）制作
• 2.1.1 膜电极的制备方法介绍
• 2.1.2 DMFC 膜电极材料选择
• 2.1.3 实验仪器、试剂
• 2.1.4 DMFC 膜电极制备工艺
• 2.2 各部件结构设计
• 2.2.1 集流板设计
• 2.2.2 内置燃料罐的设计
• 2.2.3 密封的设计
• 2.3 单电池的安装
• 2.4 环境反应室的建立
• 2.5 电化学仪器以及测试设备
• 2.6 数据采集系统
• 2.7 电池测试步骤
• 2.8 本章小结
• 3 被动式自呼吸DMFC 性能测试
• 3.1 催化剂种类对电池性能的影响
• 3.2 甲醇浓度对电池性能的影响
• 3.3 扩散层材料对电池性能的影响
• 3.4 膜厚度对电池性能的影响
• 3.5 放置方向对于电池性能的影响
• 3.6 周围环境对于燃料电池的影响
• 3.6.1 环境湿度对电池性能的影响
• 3.6.2 环境温度对电池性能的影响
• 3.7 本章小结
• 4 被动式自呼吸DMFC 可视化研究
• 4.1 恒电流放电过程中液滴分布及其对电池性能的影响
• 4.2 不同放电电流密度下液滴分布及其对电池性能的影响
• 4.3 环境湿度对于燃料电池阴极液滴生成的影响
• 4.4 环境温度对于燃料电池阴极液滴生成的影响
• 4.5 本章小结
• 5 被动式自呼吸DMFC 温度及能量效率特性
• 5.1 被动式自呼吸DMFC 温度特性研究
• 5.1.1 电池测试过程
• 5.1.2 甲醇浓度对燃料电池温度特性的影响
• 5.1.3 放电电流密度对电池温度特性的影响
• 5.2 被动式自呼吸DMFC 能量效率特性研究
• 5.2.1 燃料电池理想能量效率
• 5.2.2 燃料电池实际能量效率
• 5.2.3 环境温度对电池能量效率的影响
• 5.2.4 相对湿度对电池能量效率的影响
• 5.2.5 甲醇浓度对电池能量效率的影响
• 5.2.6 放电电流对电池能量效率的影响
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 后继研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录