异型直接乙醇燃料电池的电性能与模拟计算研究

摘要

直接乙醇燃料电池(Direct Ethanol Fuel Cell，DEFC)作为新一代清洁能源受到越来越多的重视。它具有清洁高效、比能量高、结构简单等优点。目前的研究主要集中在单电池实验阶段，电池多为平板型结构，这导致DEFC体积庞大、成本较高、燃料运输和水热管理困难等问题。针对平板型DEFC的不足，制备了一种异型的DEFC。文中采用了实验测试和模拟研究相结合的方式，通过实验测试获得一些基本数据，然后在Comsol Multiphysics软件中进行建模分析，模拟结果为燃料电池的实验研究提供了一定的理论参考。
　　 异型DEFC阳极选用石墨板或石墨管结构，催化剂为水热法合成的Pt—SnO2/C催化剂，实验结果表明Pt、SnO2原子比为3：1的催化剂的电性能最佳。异型DEFC管状阴极采用凝胶注模成型工艺，掺杂一定比例的石墨粉和中间相碳微球(MCMB)制备而成。文中对制备的MCMB浆料粘度，烧结体强度、孔隙率、密度，阴极的电性能进行了实验测试。综合实验结果表明，石墨含量为40％的烧结体是最优的管状阴极支撑体，其孔隙率达到50％以上，电阻较小，强度符合使用要求。然后对管状阴极进行了模拟计算研究，分析了其内部水分、氧气等组分的浓度分布情况，以及电池操作条件、阴极结构参数对电池阴极性能的影响。另外在其催化层厚度为80μm左右、扩散层和烧结体孔隙率越高、进气压力越高时，会得到较好的电池性能。
　　 最后使用涂有Pt、SnO2原子比为3：1催化剂的阳极管，石墨含量40％、催化层厚度为80μn的阴极管和全氟磺酸nafion117膜组装单电池，进行单电池发电性能试验。测试了单电池在不同乙醇浓度、不同操作温度等条件下的电池性能。当采用0．5mol/L硫酸1mol/L乙醇为电解液，温度为60℃时，其单电池功率密度超过8mW/cm2。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 燃料电池概述

1.1.1 燃料电池简介

1.1.2 燃料电池分类

1.2 直接乙醇燃料电池研究进展及应用

1.3 DEFC的工作原理

1.4 DEFC的结构

1.4.1 传统DEFC的结构

1.4.2 异型DEFC的结构

1.5 DEFC所面临的问题

1.6 本文的研究意义和主要内容

1.6.1 本文的研究意义

1.6.2 本文研究的主要内容

第二章 电极的制备及实验测试

2.1 电极的制备

2.1.1 阳极的制备

2.1.2 管状阴极的制备

2.1.3 质子交换膜的处理

2.2 电极的实验测试方法

2.2.1 阳极催化剂及半电池实验测试方法

2.2.2 阴极制备过程中的实验测试方法

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 阳极催化剂的XRD表征

2.3.2 阳极循环伏安曲线

2.3.3 分散剂用量对MCMB浆料粘度的影响

2.3.4 干燥素坯的热失重实验测试结果

2.3.5 管状阴极烧结体的密度和孔隙率

2.3.6 阴极管烧结体的强度

2.3.7 阴极管烧结体的收缩率

2.3.8 管状电极的电性能测试

2.4 本章小结

第三章 管状电极的数值模拟研究

3.1 燃料电池模型的分类

3.1.1 阳极模型

3.1.2 阴极模型

3.1.3 整体模型

3.1.4 异型电池模型

3.2 模拟分析软件介绍

3.3 模型的建立

3.3.1 物理模型的建立

3.3.2 数学模型的建立

3.3.3 模型边界条件

3.4 结果与讨论

3.4.1 阴极内各组分的质量分数分布

3.4.2 操作条件对电池阴极过电势的影响

3.4.3 结构参数对电池阴极过电势的影响

3.5 模拟结果的实验验证

3.6 本章小结

第四章 单电池实验测试研究

4.1 实验仪器及台架安装

4.1.1 实验仪器及原料

4.1.2 单电池组装

4.1.3 实验台架安装

4.2 DEFC单电池实验测试

4.2.1 实验测试步骤

4.2.2 实验测试方法

4.2.3 实验结果分析

4.3 本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

公开发表的论文与参加的项目