氯化铵掺杂DEFC管状阴极制备及阴极传质过程研究

摘要

直接乙醇燃料电池(Direct Ethanol Fuel Cell，DEFC)使用乙醇作为原料，空气或纯氧作为氧化剂，是一种比能量密度高、环境友好、简单方便的新型可移动动力源。目前，DEFC已经成为世界上许多国家研究和开发的热点，但乙醇的渗透、乙醇的氧化速度和氧化效率较低、常用的Nafion膜仅适用于100℃以下、催化剂活性较低、阴极的水淹等都是研究过程中需要进一步解决的重点和难点问题。因此，开展DEFC的研究工作具有极高的理论意义和广阔的应用前景。
　　采用管状结构的直接乙醇燃料电池，可以简化电池的结构，减小电池体积和重量，节约成本。以中间相炭微球、石墨和氯化铵为原料，采用凝胶注模成型工艺制备管状阴极支撑体，利用氯化铵高温烧结时会挥发的特点，得到孔隙率高、强度性能好的支撑体。自制阴极扩散层和催化层乳液，并采用合理的方法均匀涂覆。在催化层表面包裹质子交换膜制备阴极膜电极，最后和阳极管组装成管状直接乙醇燃料电池。
　　测量阴极烧结体的密度、孔隙率、强度等特性，试验表明:当石墨掺杂比例为40％，氯化铵掺杂比例为2％-10％时支撑体孔隙率较大且强度较高。电性能试验中，使用的乙醇浓度为1mol/L、硫酸浓度为0.5mol/L。分析了温度和进气流量对阴极管和单电池性能的影响，可以发现温度对电池性能影响较大，在45℃时，最大电流密度可以达到60mA/cm2，最大功率密度可以达到12.5mW/cm2，而进气流量对电池性能影响较小。
　　采用Comsol Multiphysics软件建立管状直接乙醇燃料电池模型，模拟分析了不同工作温度、进气压力和孔隙率时阴极管内氧气浓度和水摩尔分数的变化，并通过阴极传质过程分析其对电池性能的影响。通过模拟结果和试验结果的对比，可以验证模型的合理性，为进一步研究电池的传质和传热过程奠定了基础。模拟结果表明:增大温度和孔隙率都可以明显提升电池性能，进气压力增加对电池性能影响不大，在工作温度为45℃、孔隙率为0.5、进气压力为1.5bar时，最大电流密度接近70mA/cm2。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 燃料电池简介

1．1．1 研究背景

1．1．2 燃料电池的分类

1．1．3 燃料电池的研究现状

1．1．4 质子交换膜燃料电池实际性能影响因素

1．2 直接醇类燃料电池简介

1．2．1 概述

1．2．2 直接醇类燃料电池的工作原理

1．2．3 乙醇电催化氧化过程

1．2．4 DAFC的开发现状

1．2．5 直接醇类燃料电池所面临的问题

1．3 直接醇类燃料电池结构及功能

1．3．1 传统双极板结构

1．3．2 异型DAFC的结构

1．4 本课题研究的意义及主要内容

1．4．1 本课题研究意义

1．4．2 本文主要研究内容

第二章 氯化铵掺杂DEFC管状阴极的制备及分析

2．1 管状阴极制备方法

2．2 管状阴极的制备过程

2．2．1 试验材料和试验仪器

2．2．2 制备流程和制备方案

2．2．3 管状阴极烧结体的制备

2．2．4 管状阴极电极层溶液的制备

2．2．5 阴极扩散层和催化层的涂覆

2．2．6 Nation全氟磺酸膜的预处理

2．2．7 阴极膜电极组件制备

2．3 单电池的组装

2．4 本章小结

第三章 管状阴极性能测试及影响因素分析

3．1 阴极的试验测试

3．1．1 测试仪器

3．1．2 管状阴极烧结体密度及孔隙率的测量

3．1．3 力学性能测试

3．1．4 阴极管电性能试验测试

3．1．5 单电池性能测试

3．2 试验结果与讨论

3．2．1 管状阴极烧结体密度及孔隙率

3．2．2 管状阴极烧结体的强度

3．2．3 阴极管电性能

3．2．4 单电池性能测试

3．3 本章小结

第四章 管状阴极传质性能的模拟研究

4．1 阴极模型

4．2 DEFC模拟分析软件

4．3 DEFC模型及求解过程

4．3．1 模型求解流程

4．3．2 模型假设

4．3．3 几何模型建立

4．3．4 几何参数设定

4．3．5 控制方程

4．3．6 模块选择和模型参数导入

4．3．7 计算方案列表

4．4 结果与讨论

4．4．1 燃料电池模拟计算和试验结果的比较

4．4．2 不同条件下阴极氧气体积分数变化

4．4．3 不同条件下阴极催化层表面水的液态饱和度的变化

4．4．4 不同条件下电池性能的变化

4．5 本章小结

第五章 全文总结及工作展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

公开发表的文献

致谢