基于新型磺化PBI膜的高温质子交换膜燃料电池的性能研究

摘要

高温质子交换膜燃料电池以其独特的优势:无需外部加湿、水管理容易、反应速率快、可实现废热回收和减缓一氧化碳中毒等,近十年来受到了广泛的关注。作为燃料电池核心组成部件的高温质子交换膜也相应成为了热点研究方向。对聚苯并咪唑(PBI)膜进行酸化处理后,可以在低湿度甚至无水条件下使用,且保持良好的质子电导以及热稳定性能。然而,磷酸掺杂程度越高,膜的机械性能就会下降。对PBI膜进行磺化处理,可使膜具有较好的机械性能和氧化稳定性,可提高电池寿命。本论文所研究的磷酸掺杂的新型磺化PBI膜正是在这种背景下研制而出的。
　　首先,本论文通过实验手段研究磺化PBI膜吸附磷酸的情况,并分析了四种磺化PBI膜的热稳定性及磺化PBI膜酸化处理前后的微观形貌。实验结果表明:随着浸泡温度的提高,膜所吸附的磷酸含量也逐渐增加;酸化条件相同时,磺化程度高的膜磷酸吸附量大;磺化PBI膜的磷酸吸附在浸泡三天后基本达到饱和;四种磺化PBI膜在450℃之前均能保持良好的热稳定性;磺化PBI膜酸化处理后在200℃左右开始发生较大幅度的磷酸损失且其表面粗糙度有所增大。
　　其次,本文建立了三维、稳态、非等温的高温燃料电池模型,并结合UDF使用FLUENT软件对其求解。根据现有文献当中的实验数据,拟合获得两种磺化PBI膜电导率在不同磷酸掺杂程度条件下随着温度变化的方程,并将所得方程运用到模型当中。利用本模型计算所得的燃料电池性能与实验值吻合良好。
　　再次,综合考虑燃料电池所有组件的欧姆损失,全面考虑温度对燃料电池中质量传输和电荷传输的影响,模拟分析电池的电压损失情况。模拟结果表明:欧姆损失随着磷酸掺杂程度的增大或者操作温度的升高而减小;活化损失随着操作压强的增大而减小;当用氧气取代空气作为阴极供气时,活化损失随之减小。
　　最后,模拟计算不同设计条件和操作条件对燃料电池稳态性能的影响。模拟结果表明:磺化PBI膜的磷酸掺杂程度越大,电池的功率密度越大且内部温度越高;升高操作温度、增大操作压强或把阴极供气从空气换成氧气均有利于燃料电池性能的提高;催化层中双极板肋对应的电化学反应速率值大于流道对应部分的值,可见此时燃料电池的稳态性能主要是由电荷传输而不是质量传输决定的。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2高温质子交换膜燃料电池的研究现状

1.3本论文的研究内容

第二章 新型磷酸掺杂磺化PBI膜的实验研究

2.1磺化PBI膜的制备

2.2磺化PBI膜的酸化处理

2.3磺化PBI膜磷酸掺杂前后的热稳定性分析

2.4磺化PBI膜磷酸掺杂前后的微观形貌分析

2.5本章小结

第三章 高温质子交换膜燃料电池的模型研究

3.1计算域和网格划分

3.2模型假设

3.3数学模型

3.4边界条件

3.5模拟方法

3.6本章小结

第四章 高温质子交换膜燃料电池电压损失的模拟分析

4.1磺化PBI膜磷酸掺杂程度的影响

4.2操作温度的影响

4.3操作压强的影响

4.4阴极供气种类的影响

4.5本章小结

第五章 高温质子交换膜燃料电池稳态性能的模拟分析

5.1磺化PBI膜磷酸掺杂程度的影响

5.2操作温度的影响

5.3操作压强的影响

5.4化学计量比的影响

5.5阴极供气种类的影响

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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