管狀直接甲醇燃料電池的研制及其建模與控制.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)直接將甲醇和氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，無(wú)須重整制氫，液體甲醇的體積能量密度高，易于攜帶和存儲(chǔ)，因此DMFC特別適用于便攜式電源。目前：DMFC的單電池和電堆在結(jié)構(gòu)上采用平板型設(shè)計(jì)，需要用昂貴的雙極板作為反應(yīng)物輸送的流道，以及串聯(lián)各個(gè)單電池向負(fù)載輸送電子的通道，由于雙極板的流道狹窄，需要外圍設(shè)備來(lái)儲(chǔ)存、輸送反應(yīng)物用于維持系統(tǒng)正常工作，使得DMFC電堆集成度低，不能滿足便攜電源的要求。雙極板的使用不僅增加了電池堆的

2、制作成本，還給系統(tǒng)的安裝、維護(hù)帶來(lái)困難，一個(gè)單電池性能下降，必須將其他電池一起拆開(kāi)，重新組裝。 針對(duì)平板型DMFC的不足，提出了管狀直接甲醇燃料電池(TDMFC)的設(shè)計(jì)概念，在考察了膜電極制各工藝對(duì)電池性能影響的基礎(chǔ)上，選擇噴涂工藝，采用平面膜進(jìn)行彎曲熱壓制備了管狀膜電極，組裝了管狀直接甲醇燃料電池和小電堆；為了解決管狀燃料電池的密封問(wèn)題，又采用多孔石英管作為支撐體，用Nafion溶液浸漬制備了管狀自支撐質(zhì)子交換膜，并制備了管狀

3、自支撐直接甲醇燃料電池。 建立管狀直接甲醇燃料電池動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行數(shù)值求解，對(duì)管狀直接甲醇燃料電池運(yùn)行中，反應(yīng)物、產(chǎn)物的濃度分布和溫度分布給出動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果；利用熱力學(xué)參數(shù)分析了燃料電池理論效率和實(shí)際效率，對(duì)DMFC效率與電流密度等工作條件的關(guān)系進(jìn)行分析。 分析陰極水的來(lái)源，建立與了空氣進(jìn)口流量、濕度和工作電流密度有關(guān)的陰極出口水蒸氣濃度動(dòng)態(tài)模型，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)TDMFC的陰極水蒸氣出

4、口濃度的控制。 本論文的主要工作： (1)在考察剿備膜電極工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了用于平面膜制備管狀燃料電池的成型夾具，選擇噴涂法和彎曲熱壓工藝制作了TDMFC單電池，組裝了一個(gè)TDMFC電堆。單電池性能為：電池的陽(yáng)極催化劑載量為2mg·cm<'-2>/Pt，陰極催化劑載量為3 mg·cm<'-2>Pt-Ru，液態(tài)甲醇溶液溫度為80℃時(shí)，空氣自呼吸方式，電池的最大功率可以超過(guò)10mW·cm<'-2>。 (2)采

5、用多孔陶瓷管浸漬全氟磺酸樹(shù)脂溶液制各自支撐管狀質(zhì)子交換膜，壁厚為0.7mm的致密管狀膜的電導(dǎo)率為1.46S·m<'-1>。將所得的管狀自支撐質(zhì)子交換膜，分別采用陽(yáng)極催化劑用刷涂法制備在管的內(nèi)側(cè)，陰極催化劑采用噴涂工藝噴到管的外側(cè)，然后將擴(kuò)散層用彈簧的形變力固定并與催化劑層緊密接觸，制得管狀燃料電池。陽(yáng)極側(cè)通入80℃的2M甲醇溶液，陰極側(cè)通入室溫氧氣，得到電池的性能為8mW·cm<'-2>。 (3)采用活塞流反應(yīng)模型和列管式換熱器

6、原理建立了管狀直接甲醇燃料電池模型，用于分析反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度分布、溫度分布，對(duì)TDMFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，以及選擇控制變量和參數(shù)提供參考。 (4)對(duì)直接甲醇燃料電池的實(shí)際效率進(jìn)行分析，探討了DMFC效率偏低的主要原因，提出了提高DMFC效率建議和方案，如提高電池的工作溫度，降低質(zhì)子交換膜的透醇率以及提高催化劑活性等。 (5)分析了陰極水的來(lái)源，指出電化學(xué)反應(yīng)和電拖曳是電池在工作狀態(tài)下陰極水的主要來(lái)源，采用恒壓變?nèi)莘治隽讼?/p>