收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

空气自呼吸式直接甲醇燃料电池两相流动及传输特性

叶丁丁  
【摘要】: 传统的能量转化是通过热机过程来实现的,热机过程受卡诺循环的限制,不但转化效率低、导致严重的能源浪费,而且产生大量的有害物质以及噪声,造成严重的环境污染问题。而燃料电池发电技术与热机发电过程不同,它是一种直接将储存于燃料或氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置,发电过程步骤少、没有燃烧过程及转动部件,不受卡诺循环的限制,是一种清洁高效的发电技术。近年来,随着移动电话、个人数字助手、笔记本电脑等便携式电子产品的迅猛发展,而且产品新的耗电型功能也不断增强,目前现有的充电电池技术已无法满足日益增长的高能耗需求。空气自呼吸式直接甲醇燃料电池(DMFC)因具有系统结构简单、能量密度高、环境友好、更换燃料方便、可在常温下工作等优点,成为便携式设备最有前景的可替代电源,是电化学和能源科学领域的研究热点。 与主动式DMFC相比,空气自呼吸式DMFC反应物传递速率较慢,导致电化学反应速率较低,电池结构上的差异不但使得性能远不及主动式的DMFC,也造成了电池内部的热质传输特性有所不同。因此,对空气自呼吸式DMFC内两相流动及传输特性进行研究具有非常重要的意义。 本文从工程热物理学科角度出发,采用自制的膜电极组件对空气自呼吸式DMFC性能及传输特性进行实验研究,包括电池的环境适应性实验,阴极侧水滴积聚特性及其对放电性能影响的可视化实验,电池在搁置、恒电流放电及放电结束后电压稳定整个测试过程中电池的温度特性实验等,进一步深入研究了阳极微孔层的浸润性对电池性能及放电时间的影响;针对阳极侧主动进料的空气自呼吸式DMFC,考虑了扩散层/催化层界面处液相饱和度的不连续性及催化层内的质量传递,建立了一个全面描述电池内两相流动及传质的数学模型,分析甲醇及水渗透的机理。主要研究成果如下: 1)对组装的电池采取加入甲醇溶液搁置24 h活化的方法,电池性能提高到活化前的4倍;提出了一种更为简便且高重现性的微孔层制备方法—抽滤法,制得的微孔层更为平整,可获得较高的性能和较长的恒电流放电持续时间。 2)研究了催化剂类型、扩散层材料、甲醇溶液浓度、集流板结构等因素对电池性能及传质的影响,实验结果表明:采用高担量的催化剂或碳布制作的膜电极可以强化反应物的传质且易于获得较高的电池性能;适当提高甲醇浓度、采用平行集流板可获得较高的电池性能。 3)对环境温度及相对湿度对电池性能的影响进行了研究,实验结果表明:在相同湿度下,空气自呼吸式DMFC电池性能随着环境温度的升高而增加;在相同温度下,环境相对湿度对电池性能的影响与环境温度的大小有关,温度较低时,湿度的影响不大,随着温度的升高,其影响也越来越大。 4)研究了恒电流放电过程中阴极侧的水滴积聚特性,实验结果表明:液滴总在某些特定的位置出现,被水完全覆盖的呼吸孔中液体还会不断增多;在低电流密度下,电池恒流放电时间主要受阴极水积聚的影响;在高电流密度下,甲醇的消耗为控制电池放电时间的主要因素;适当提高甲醇浓度、降低放电电流密度及环境湿度均可延长放电持续时间。 5)对放电前后及放电期间整个测试过程中电池的温度特性进行了实验研究,结果表明:加入燃料后,电池与环境之间的温差迅速上升,升高的速度渐缓,最后达到稳定,放电期间,温差先升高后降低,且温差随着放电电流密度的增大而增大,但在大放电电流密度下,因放电时间较短未出现下降的趋势,放电结束后,温差骤降;此外,在整个测试过程中温差随甲醇浓度的增大而增大。 6)对采用不同浸润性的阳极微孔层时的电池性能及放电持续时间进行比较,发现:在快速扫描模式下,阳极采用亲水的微孔层制备的电池性能优于憎水的微孔层,但在慢速扫描模式下,中高电流密度时,由于阴极侧水滴的积聚,阻碍了氧气的传递,阳极采用憎水的微孔层可获得较好的性能;在恒电流放电初期,阳极采用亲水的微孔层制备的电池性能较好,但随着放电的进行,因采用憎水的阳极微孔层不易发生阴极水淹,电池性能更佳且放电持续时间较长。 7)建立了空气自呼吸式DMFC二维两相传质模型,将计算结果与实验数据进行了比较,二者基本吻合。结果表明:在相同电流密度下,甲醇渗透通量随甲醇浓度的增加而增加;在浓度为4M和2M时甲醇渗透通量随电流密度的增加而增加,而在1M时随着电流密度的增加先增加后减少。低电流密度下,扩散在甲醇渗透中起主导作用,而高电流密度下电渗是甲醇渗透最主要的传输方式;电渗和压差在低电流密度时对于水的渗透都起了重要的作用,而在高电流密度时电渗作用占了主导地位。阴极侧总的水通量随着电流密度的增加明显增加,且在低电流密度时,主要来源于渗透的甲醇发生氧化反应生成的水,而在高电流密度下,从阳极渗透到阴极的水占了绝大部分。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 Jon Titus;燃料电池:下一代移动设备电源[J];电子产品世界;2004年08期
2 王振波,尹鸽平,史鹏飞;DMFC阳极多元合金催化剂的研究进展[J];工业催化;2005年02期
3 苗青,曹广益,朱新坚,李曦;燃料电池的模糊辨识建模与变结构控制研究[J];计算机仿真;2005年01期
4 李曦,付晓薇,曹广益,苗青;基于模糊辨识的燃料电池建模[J];武汉科技大学学报(自然科学版);2004年03期
5 苗青,曹广益,朱新坚;基于在线系统辨识的DMFC模型预测与模糊控制[J];自动化仪表;2004年07期
6 王振波,尹鸽平,史鹏飞;DMFC催化剂的制备及前驱体的使用[J];电池;2005年01期
7 苗青,曹广益,朱新坚,李曦;应用模糊辨识方法对DMFC电堆的温度特性建模[J];热能动力工程;2005年02期
8 崔澎;;燃料电池的商用突破就在便携产品[J];电子产品世界;2007年01期
9 李文峰,辛文利,吕玲,梁国正;直接甲醇燃料电池电催化剂的研究及进展[J];材料导报;2001年01期
10 马紫峰,廖小珍,冷拥军,黄碧纯;直接甲醇燃料电池技术及应用[J];化工进展;1999年06期
11 王激扬;;国外徒步士兵用燃料电池技术进展[J];电源技术;2011年06期
12 郑丁琴;刘慧勇;郭永榔;;Pt-SnO_2/C催化剂对甲醇的电催化氧化[J];电池;2006年06期
13 Peng Lim;;DMFC燃料电池便携式应用前景[J];电子产品世界;2009年01期
14 蒋柏泉;黄庆荣;王伟;王敏炜;;DMFC阳极催化剂Pt-Ru/SWCNTs制备工艺和性能研究[J];稀有金属;2007年03期
15 林良宽;乐海斌;虞伟绘;范军;钱培金;;Pt在燃料电池中的催化性能研究[J];能源环境保护;2007年04期
16 陈超;陈胜利;崔凯跃;欧阳瑞;;Nafion-SiO_2-PWA复合膜甲醇扩散系数[J];化工新型材料;2009年02期
17 符显珠,李俊,卢成慧,廖代伟;直接甲醇燃料电池质子膜研究进展[J];化学进展;2004年01期
18 黄红良,隋静,陈红雨,李伟善;国内外直接甲醇燃料电池研究进展[J];电池工业;2004年06期
19 王晓红,谢克文,姜英琪,钟凌燕,刘理天;硅基微型直接甲醇燃料电池的研究[J];半导体学报;2005年07期
20 苗睿瑛;李建玲;方勇;王新东;;DMFC用质子型离子液体复合隔膜的制备及性能表征[J];电化学;2009年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 贾晶春;王荣方;王辉;康健;雷自强;;氮修饰碳/坡缕石复合材料制备及其在DMFC中的应用[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
2 陈丽芳;李忠水;黄小妹;林深;;{PMo_(12)/Pt-Cu/PAMAM}_n复合膜的制备及其对甲醇氧化的电催化性能[A];中国化学会第28届学术年会第10分会场摘要集[C];2012年
3 方军;齐冬辉;宋洪峰;沈培康;;新型DMFC阻醇膜的性能研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
4 陈胜洲;杨伟;王松清;刘自力;林维明;;氮掺杂碳气凝胶负载钴电催化剂的性能研究[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年
5 刘文杰;周震涛;;一种新型直接甲醇燃料电池阳极用三元催化剂的制备与表征[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
6 陆天虹;;氢能时代和燃料电池[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
7 刘世斌;牛忠义;郝晓刚;张忠林;孙彦平;;脉冲电沉积制备直接甲醇燃料电池电极[A];第九届全国化学工艺学术年会论文集[C];2005年
8 宛朝辉;唐浩林;潘牧;木士春;袁润章;;静电自组装甲醇燃料电池用阻醇膜的制备与性能[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
9 张丽娟;王振尧;陈戈;袁嵘;夏定国;;抗甲醇中毒氧还原催化剂铂铋金属间化合物的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
10 周震涛;何燕;;直接甲醇燃料电池非磺酸化质子交换膜的研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙灵俊;被动式μDMFC极板加工工艺及应用研究[D];大连理工大学;2011年
2 李苗苗;μDMFC阳极流场气液输运及流场结构微细加工研究[D];大连理工大学;2012年
3 王耀琼;DMFC和DSSC的化学增强与光辅助增强催化[D];重庆大学;2010年
4 袁伟;被动式直接甲醇燃料电池结构优化设计及作用机理研究[D];华南理工大学;2012年
5 高启君;DMFC用改性磺化聚醚醚酮质子交换膜的研究[D];天津大学;2009年
6 曹先齐;直接甲醇燃料电池内的两相流与热质传输特性研究[D];山东大学;2012年
7 干林;纳米结构碳为载体的直接甲醇燃料电池催化剂[D];清华大学;2009年
8 朱应利;微型直接甲醇燃料电池封装关键技术研究[D];大连理工大学;2011年
9 丁玉栋;液相进料直接甲醇燃料电池两相流动与传输特性研究[D];重庆大学;2010年
10 黄绵延;DMFC用改性磺化聚芳醚酮质子交换膜的研究[D];天津大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈培培;液相进料DMFC内的两相流与阻力特性研究[D];山东大学;2013年
2 冷佳醒;微型DMFC阳极气液两相流研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
3 王光燕;DMFC阳极流场超疏水微通道制作及其气泡消减特性研究[D];大连理工大学;2013年
4 邹善亮;面向μDMFC的复合微能源系统电源管理设计[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 张飞翔;被动式DMFC气泡行为的实验研究和数值模拟[D];浙江工业大学;2012年
6 苑振宇;微型直接甲醇燃料电池结构设计与制作技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
7 肖露璐;生物启发下DMFC膜的制备与质子传导性能研究[D];天津大学;2010年
8 辛林杰;多堆直接甲醇燃料电池电源控制系统的设计[D];郑州轻工业学院;2012年
9 史亚男;Pt/石墨烯复合材料的制备及其电催化性能的研究[D];南京理工大学;2013年
10 何志斌;纳米碳管基直接甲醇燃料电池电极研究[D];湖南大学;2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;为手持设备提供超强电力[N];网络世界;2005年
2 山东 苗本秀;直接甲醇燃料电池(DMFC)的剖析[N];电子报;2005年
3 于洋 张兆军;直接甲醇燃料电池技术获多项突破[N];科技日报;2011年
4 王江霞;直接甲醇燃料电池技术获多项突破[N];中国石化报;2011年
5 于洋;直接甲醇燃料电池研究取得成果[N];中国化工报;2011年
6 ;燃料电池结构得到简化[N];计算机世界;2004年
7 ;随身设备告别频繁充电的日子[N];中国计算机报;2004年
8 ;CeBIT 2004数码新品一览[N];电脑报;2004年
9 ;日本厂商展示多款创新产品[N];计算机世界;2004年
10 祝同华 秦伟;我国燃料电池研究驶入发展快车道[N];中国电子报;2003年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978