小型全被动式直接甲醇燃料电池性能实验研究

摘要

小型全被动式直接甲醇燃料电池没有泵和风扇等辅助元件，其参与电化学反应的阳极甲醇溶液和阴极的氧气均依靠扩散实现，在体积、重量以及自身耗电等方面有较大幅度的降低，但其内部传质不佳是电池输出性能低的一个重要原因。此外，可在任意角度下正常运行是其用于小型便携式电源的要求。本文针对被动式微小型直接甲醇燃料电池开展了不同角度下的极化曲线和动态响应特性的实验研究工作，主要研究成果如下：
　　 1对本课题组第一代小型全被动式直接甲醇燃料电池的结构进行了改进，电池改进的部分主要包括甲醇储液罐外壳、甲醇储液罐以及定位板，同时还增加了加热及温度控制系统；
　　 2实验研究了运行温度、甲醇溶液浓度以及电池放置倾角等参数对小型全被动式直接甲醇燃料电池静态性能的影响，同时对电池静态放电过程中的阴极凝水展开了实时可视化观测。实验结果表明：
　　 (1)温度的升高导致不同开孔率电池的极限电流密度随之升高，与之相对应的阴极凝水量也增加，但电池受温度影响的程度随甲醇溶液浓度的升高而降低；
　　 (2)甲醇溶液浓度影响着小型全被动式直接甲醇燃料电池的输出性能，在低浓度时，-45°倾角的电池在浓差极化区的性能最高，阴极凝水量最少，而45°倾角的电池在浓差极化区性能最差，阴极凝水量最多，但是随着甲醇溶液浓度的升高，电池受角度影响的程度逐渐降低。
　　 3研究了开孔率不同时小型全被动式直接甲醇燃料电池的静态性能及动态响应特性：
　　 (1)随电流强度的升高，40％极板开孔率的电池燃料供应相对于25％极板开孔率时更稳定，极限电流密度也相对要高；
　　 (2)电流密度按照不同波形在加载高电流强度过程中，25％开孔率电池的燃料供应不足较为明显；
　　 4考察了不同甲醇溶液浓度的小型全被动式直接甲醇燃料电池按照不同的加载波形、加载斜率以及加载强度时电压的动态响应特性，并且深入分析了小型全被动式直接甲醇燃料电池的电流强度动态变化时的电池内部传质特性，探讨了倾角对小型全被动式直接甲醇燃料电池动态响应的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 小型燃料电池

1.2 小型全被动式直接甲醇燃料电池

1.2.1 什么是被动式燃料电池

1.2.2 小型全被动式直接甲醇燃料电池的研究现状

1.3 小型燃料电池测试技术

1.3.1 运行参数对小型燃料电池性能的影响

1.3.2 微尺度技术在小型燃料电池中的应用

1.4 本文的内容和研究目的

1.5 本章小结

第2章 小型全被动式直接甲醇燃料电池实验系统

2.1 小型全被动式直接甲醇燃料电池的结构改进

2.1.1 甲醇储液罐外壳的改进

2.1.2 甲醇储液罐的改进

2.1.3 温控系统的设置

2.2 小型全被动式直接甲醇燃料电池的实验系统

2.2.1 数据采集系统

2.2.2 图像采集系统

2.2.3 温度控制系统

2.3 膜电极的活化

2.4 本章结论

第3章 运行参数对小型全被动式直接甲醇燃料电池静态性能的影响

3.1 温度对小型全被动式直接甲醇燃料电池性能的影响

3.1.1 极板开孔率为40%时运行温度对电池性能的影响

3.1.2 极板开孔率为25%时运行温度对电池性能的影响

3.2 甲醇溶液浓度对小型全被动式直接甲醇燃料电池性能影响

3.2.1 极板开孔率为40%时甲醇溶液浓度对电池性能的影响

3.2.2 极板开孔率为25%时甲醇溶液浓度对电池性能的影响

3.3 放置角度对小型全被动式直接甲醇电池性能的影响

3.3.1 极板开孔率为40%时倾角对电池性能影响

3.3.2 极板开孔率为25%时倾角对电池性能影响

3.3.3 放置角度对小型全被动式直接甲醇燃料电池性能影响的验证

3.4 本章小结

第4章 开孔率对小型全被动式直接甲醇燃料电池性能的影响

4.1 开孔率对小型全被动式直接甲醇燃料电池静态性能的影响

4.1.1 40℃运行时开孔率对电池性能的影响

4.1.2 60℃运行时开孔率对电池性能的影响

4.2 开孔率对小型全被动式直接甲醇燃料电池动态响应特性的影响

4.2.1 不同开孔率时电流密度按照方波加载

4.2.2 不同开孔率时电流密度按照后直角三角波加载

4.2.3 不同开孔率时电流密度按照前直角三角波加载

4.2.4 不同开孔率时电流密度按照等腰三角波加载

4.3 不同开孔率时间歇卸载及低电流加载的电池动态响应

4.3.1 电流密度按方波加载

4.3.2 电流密度按后直角三角波加载

4.3.3 电流密度按前直角三角波加载

4.3.4 电流密度按等腰三角波加载

4.4 本章小结

第5章 小型全被动式直接甲醇燃料电池的动态响应特性

5.1 甲醇溶液浓度对小型全被动式直接甲醇燃料电池动态性能的影响

5.1.1 极板开孔率为40%时电池的动态响应特性

5.1.2 极板开孔率为25%时电池的动态响应特性

5.2 加载强度对小型全被动式直接甲醇燃料电池性能的影响

5.2.1 极板开孔率为40%时电流强度对电池动态输出的影响

5.2.2 极板开孔率为25%时电流强度对电池动态输出的影响

5.3 加载斜率对小型全被动式直接甲醇燃料电池动态特性的影响

5.3.1 极板开孔率为40%时加载斜率对电池动态输出的影响

5.3.2 极板开孔率为25%时加载斜率对电池动态输出的影响

5.4 倾角对小型全被动式直接甲醇燃料电池动态响应特性的影响

5.4.1 确定溶液浓度时倾角对电池动态性能的影响

5.4.2 固定角度时甲醇溶液浓度对电池动态性能的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢