气体多孔电极的物理化学渗流研究

摘要

随着科技的日益发展，学科交叉的研究对科技进步的推动显得越来越重要。本文将渗流的理论知识应用到气体多孔电极的研究中，在锌空气电池中研究气体多孔电极的性能，从理论和实验两个方面探索电极高效放电的机理以及寻找制作高效电极的方法。理论工作完成了在气液不同分布状态下的多孔电极过电位分布数学模型，实验工作设计了立式电极实验，观察到三相界面的变化过程。参与研究开发了电动自行车用锌空气动力电池，并且在研究过程中得到了设计锌空气电池调峰电站和研制呼吸式气体多孔电极的启发。 本文的主要工作包括：第一，建立本文的理论基础，以渗流理论中广泛应用的饱和度分布概念为基础，探索电极在液体电解质环境中的气液分布规律。以单孔电极数学模型为参考，定义了三相分界线总长度概念，给出其计算方法；在此基础上，给出多孔电极电流和过电位分布模型，以典型算例得出电极沿外表面法线方向的过电位分布规律，并对计算结果与理论分析进行了比较；本章的成果是在已有的电极单孔模型和饱和度分布概念的基础上设计了多孔电极中多孔体的气液分布数学模型，有利于通过数值计算模拟多孔电极这一内部复杂体系在参与电极反应时的各处电流贡献和过电位分布，可为制造高效电极提供理论依据； 第二，通过在锌空气电池中设计使用片状立式电极，增大了电极的纵向高度，探索气体电极反应机理以及三相界面的形成过程，且能够方便地观察三相界面在反应进程中发生的四个明显的形态变化；通过该章的研究获得了电极反应时的稳态和非稳态三相界面的宏观变化，分析了其相应的微观反应机理，突破了传统的电极反应方式无法直接观察三相界面变化的弊端； 第三，设计研制了水平单面电极，通过电极的结构设计、加工工艺的改进以及与之相应的电池整体结构的设计，实现了锌空气动力电池的制作；电极的设计考虑了如何有效地防止液体渗漏以及从结构上实现尽可能多的有利于反应的三相界面；电池整体结构的设计考虑了工程上的实际应用，综合了各种因素，特别是用在电动自行车上出现的密封、放电深度、机械式充电等问题得到了有效地解决，在比能量和能量密度两个重要的技术指标上实现了国内领先； 第四，通过立式使用空气电极的实验，探索利用单片电极的拚接实现大电极和大的单电池的制作，在此基础上设计了锌空气电池调峰电站的一整套运行机制；利用电极拚接技术可制造世界上最大的单电池，解决制作大面积电极的困难，实现锌空气电池调峰电站的运行；分离循环技术和原位还原技术可以保障燃料的供应，并且有利于实现电站调峰填谷功能，提高电站总体效率，这种调峰电站的应用综合了电极制作的优越性并且它的实现可以有效地缓解电力紧张； 第五，通过驱替方法的阐述，探索性地提出呼吸式气体电极的运行机制，即通过周期性改变的作用力促使电极在电解液侧和气体侧交替推进，加快反应物的补充和生成物的排泄，这种设计的电极可以明显地改善放电效率，本章给出了理论验证，并给出了实验方法。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表，图表目录

第一章渗流力学理论与气体多孔电极研究

§1.1渗流力学理论的主要应用概述

§1.1.1渗流力学理论的主要应用范围和研究方法

§1.1.2渗流力学理论的发展趋势

§1.1.3渗流力学理论与气体多孔电极研究

§1.2气体多孔电极研究概述

§1.2.1气体多孔电极的发展历史

§1.2.2气体多孔电极应用于化学电源的作用机理

§1.2.3气体多孔电极的主要研究方法

§1.3本论文的出发点和研究内容－将渗流力学理论用于气体多孔电极研究

第二章理论篇－气体多孔电极反应微观机理的数学模型

§2.1气体多孔电极性能分析

§2.1.1多孔介质的两个基本概念

§2.1.2活性炭材料的孔隙特征

§2.1.3碳电极的孔隙特征

§2.2气液在多孔电极内形成的状态及微观机理

§2.3两种流体界面的渗流概念

§2.3.1三相界面的原理简介

§2.3.2理想突变界面

§2.3.3两种真实流体界面

§2.4气体电极数学模型简述

§2.5建模基础－一维过电位单孔数学模型

§2.6单元体内电流与过电位关系

§2.7气体电极数学模型的建立

§2.7.1多孔介质内电解质溶液中电导和欧姆定律

§2.7.2 ()在电极截面上的性质分析

§2.7.3迭代法求解和输出参数的确定

§2.7.4算例

§2.8本章小结

第三章实验篇－片状立式电极及三相界面形态的变化

§3.1锌空气电池原理简介

§3.2气体电极的传统应用方式

§3.3片状立式电极的提出

§3.3.1片状立式电极的理论基础

§3.3.2片状立式电极形成的三相界面

§3.4片状立式电极的实验装置

§3.5观察三相界面的形态变化

§3.5.1观察三相界面的实验

§3.5.2单片立式多孔电极非稳态和稳态三相界面放电特征

§3.5.3三相界面形态和电极过程

§3.5.4实验结果分析

§3.6片状立式电极的优越性与弊端

§3.7本章小结

第四章应用篇－水平单面空气电极的研究

§4.1空气电极的常规结构

§4.2水平单面电极设计思路

§4.3水平单面电极的设计

§4.3.1电极设计

§4 3 2与电极配套的电池设计

§4.3.3与空气电极和电池配套的机械式充电方式设计

§4.4理论分析

§4.5实验

§4.5.1实验设计

§4.5.2放电实验

§4.5.3电池组实验

§4.6工程应用

§4.6.1应用背景

§4.6.2电动自行车电池

§4.6.3锌空气电池的能源特性

§4.6.4国内外锌空气电池开发情况

§4.6.5电动自行车用锌空气动力电池开发

§4.6.6应用展望

§4.7本章小结

第五章探索篇(1)－片状立式电极的蓄能作用

§5.1电力系统调峰现状

§5.1.1调峰电站的类型

§5.1.2国内外应用现状

§5.1.3燃料电池电站技术简述

§5.2锌空气电池调峰电站的提出

§5.3锌空气电池电站技术

§5.3.1电站运行方式

§5.3.2技术优势

§5.3.3电站相关参数

§5.3.4锌空气电池调峰电站的特点

§5.4锌空气电池电站的调峰作用

§5.5与其它调峰电站性能比较

§5.5.1调峰容量

§5.5.2储能效率

§5.5.3经济效益估算

§5.5.4使用年限

§5.6锌空气电池调峰电站的特点总结

§5.7对电力系统的影响展望

§5.8本章小结

第六章探索篇(2)－呼吸式气体多孔电极的研究

§6.1驱替方法

§6.2驱替方法用于气体多孔电极

§6.3呼吸式气体电极的提出

§6.3.1呼吸式气体电极的工作方式和基本原理

§6.3.2多孔电极中气液驱替过程的两相渗流原理

§6.3.3呼吸式气体电极提高电流密度的理论计算方法

§6.3.4呼吸式气体电极用于燃料电池的实验设计

§6.3.5实验探索

§6.4呼吸式气体电极的特点总结

§6.5本章小结

第七章工作总结与展望

§7.1工作总结

§7.2本文的特色与创新

§7.3展望

参考文献

致谢

读博期间发表和录用论文

安徽省产品质量监督所检验报告附页