新型燃料电池多孔电极极化特性研究

摘要

环境污染和能源危机是两个目前人类面临的最重要的问题，解决了这两个问题可以实现人类社会的可持续发展。利用热机通过化石燃料燃烧功能方式既不环保，效率也不高。因此，近几十年来燃料电池技术由于高效绿色可持续等特点，受了广泛的关注和研究。其中，直接醇类燃料电池因其采用小分子醇类作为燃料，燃料来源广泛，储存运输方便，是燃料电池中重要的研究方向。由于醇类在燃料电池中完全氧化为二氧化碳比较困难，电子传输效率较低，但是乙二醇在燃料电池中的电子传输效率可以高达80%，是一种极具发展潜力的燃料。直接乙二醇燃料电池的输出电压由阳极电势与阴极电势共同决定，然而电池实际运行时，实际阴阳极电势都会偏离电极理论电势，导致电池性能降低。
　　本文旨在为直接乙二醇燃料电池建立一维模型，得以探究不同运行工况对电池电极极化的影响，避免了复杂繁琐的电池组装及测试过程，对电池实际设计具有重要的参考意义。主要研究内容如下：
　　（1）直接乙二醇燃料电池多孔电极极化模型建立
　　在直接乙二醇燃料电池体系中，其性能受到电池温度，电催化剂及其组成以及电解质膜类型及结构等诸多因素的影响。为了能直观研究电池设计参数对性能的影响，考虑电池中物质传输、电荷传输和电化学反应三者的协同作用，利用物质运输方程、电化学动力学方程、方程的边界条件，建立起电池输出电压与电路电流密度的关系。
　　（2）阴离子交换膜直接乙二醇燃料电池多孔电极极化模型计算分析
　　利用建立的直接乙二醇燃料电池极化模型对燃料电池极化进行了综合分析，得到阴离子交换膜直接乙二醇燃料电池阴阳极活化极化、浓差极化和欧姆极化的曲线分布。接着分析不同物质不同浓度和电池结构参数对电池性能的影响，研究最佳的运行工况，为提高电池性能提供指导意见。
　　（3）质子交换膜直接乙二醇燃料电池多孔电极极化模型计算分析
　　针对最近有学者提出质子交换膜也可以在碱性条件下作为离子交换膜来传输氢氧根离子来保持电荷平衡。利用前述已完成的工作，对该类新型结构的直接乙二醇燃料电池进行模拟计算，分析不同运行工况对电池性能的影响，得到最佳的运行条件。
　　（4）质子交换膜直接乙二醇燃料电池多孔电极极化实验研究
　　针对已完成的质子交换膜直接乙二醇燃料电池多孔电极极化模型，采用实验研究的方法探究不同工况对电池性能的影响。主要研究阳极碱浓度和阴极氧气浓度对电池性能的影响，为实际质子交换膜直接乙二醇燃料电池的运行工况参数选择提供依据。

目录

物理量名称及符号表

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容

第2章 阴离子交换膜DEGFC极化模型建立与分析

2.1 引言

2.2电极物质传输和电化学反应研究

2.3阴离子交换膜直接乙二醇燃料电池极化模型计算分析

2.4本章小结

第3章 质子交换膜DEGFC极化模型建立与分析

3.1 引言

3.2质子交换膜DEGFC极化模型计算分析

3.3本章小结

第4章 质子交换膜DEGFC极化特性实验研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢