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管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制

于如军  
【摘要】: 直接甲醇燃料电池(DMFC)直接将甲醇和氧气的化学能转变为电能,无须重整制氢,液体甲醇的体积能量密度高,易于携带和存储,因此DMFC特别适用于便携式电源。目前DMFC的单电池和电堆在结构上采用平板型设计,需要用昂贵的双极板作为反应物输送的流道,以及串联各个单电池向负载输送电子的通道,由于双极板的流道狭窄,需要外围设备来储存、输送反应物用于维持系统正常工作,使得DMFC电堆集成度低,不能满足便携电源的要求。双极板的使用不仅增加了电池堆的制作成本,还给系统的安装、维护带来困难,一个单电池性能下降,必须将其他电池一起拆开,重新组装。 针对平板型DMFC的不足,提出了管状直接甲醇燃料电池(TDMFC)的设计概念,在考察了膜电极制备工艺对电池性能影响的基础上,选择喷涂工艺,采用平面膜进行弯曲热压制备了管状膜电极,组装了管状直接甲醇燃料电池和小电堆;为了解决管状燃料电池的密封问题,又采用多孔石英管作为支撑体,用Nafion溶液浸渍制备了管状自支撑质子交换膜,并制备了管状自支撑直接甲醇燃料电池。建立管状直接甲醇燃料电池动态模型,进行数值求解,对管状直接甲醇燃料电池运行中,反应物、产物的浓度分布和温度分布给出动态仿真结果;利用热力学参数分析了燃料电池理论效率和实际效率,对DMFC效率与电流密度等工作条件的关系进行分析。 分析阴极水的来源,建立与了空气进口流量、湿度和工作电流密度有关的阴极出口水蒸气浓度动态模型,用神经网络进行系统辨识,利用神经网络预测控制器实现了对TDMFC的阴极水蒸气出口浓度的控制。 本论文的主要工作: (1)在考察制备膜电极工艺的基础上,设计制造了用于平面膜制备管状燃料电池的成型夹具,选择喷涂法和弯曲热压工艺制作了TDMFC单电池,组装了一个TDMFC电堆。单电池性能为:电池的阳极催化剂载量为2 mg·cm~(-2)Pt,阴极催化剂载量为3 mg·cm~(-2)Pt-Ru,液态甲醇溶液温度为80℃时,空气自呼吸方式,电池的


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