質子交換膜燃料電池中兩個主要類別,直接甲醇燃料電池與氫氧燃料電池在各自的領域都是新興型能源裝置中的強力競爭者。直接甲醇燃料電池燃料儲存便利,對于燃料的補充沒有任何技術或安全性門檻,適用于各種便攜電子器件。而氫氧燃料電池是目前汽車動力領域唯一的鋰電競爭者。本論文針對直接甲醇燃料電池堆結構常見多發(fā)的密封體系不安定問題進行了多方面的改進設計,并從結構機制上緩解甚至避免了這些問題。對所設計的電堆進行了加工制造和測試,驗證了設計思路的有效性。在解決了電堆問題后,通過對大量極化曲線實驗數(shù)據(jù)進行電極動力學控制方程的參數(shù)擬合,建立了試算結果與實驗數(shù)據(jù)高度相符的三維數(shù)值模型。通過三維數(shù)值模型進行了5因素4水平的操作參數(shù)優(yōu)化正交實驗,采用正交實驗的優(yōu)選參數(shù)組合使電池測試性能提高了 10%。通過包含166次運行,累計有效壽命達3135.7小時的燃料電池長期運行測試,及運行過程中的多種性能損失行為監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn),燃料電池有效壽命控制因素在不同運行階段差別較大,發(fā)生階段性失效現(xiàn)象的原因也各不相同。在單次運行過程中,合理加大陰極側氧氣壓強可以實現(xiàn)催化劑活性的提高和傳質通道的改善,從而提高燃料電池的有效壽命。Rohm在55℃運行溫度階段增加較快,這說明較低的溫度下的性能損失主要來自于膜的質子傳導率損失。實施質子恢復方案和提高運行溫度可以有效緩解Rohm的暫時性增加,恢復燃料電池的性能。隨著燃料電池的運行時間增加,陰極水淹現(xiàn)象會逐漸嚴重,在較高溫度對傳質能力的影響尤為突出,導致嚴重的濃差極化。采用陰極通入氮氣作為應對傳質能力暫時性下降的恢復方案可以有效恢復燃料電池因陰極水淹造成的性能損失。而催化劑的活性損失屬于永久型性能損失,最終導致燃料電池的失效。總的來說,造成燃料電池性能衰減的控制因素隨運行階段不同而有較大差別,明確運行條件與不同性能損失行為之間的關系,合理實施恢復方案,能夠有效提高DM-PEMFC的有效壽命。為解決膜電極制備穩(wěn)定性不足,不合格品危害大又難以在裝配測試前檢出的問題,設計了膜電極無損檢測設備,并進行了檢測方案論證,達到了 16片同批次膜電極中3片不合格品提前100%檢出且不對正常膜電極性能產生任何不利影響的目的。在膜電極無損檢測技術的保障下,進行了多因素壽命預測方案研究。通過對極化曲線數(shù)據(jù)進行電化學活化過電位、歐姆過電位和濃差過電位的拆分,提取了三個獨立變化的壽命影響因素,并研究和分析了基于這三個因素的壽命預測方案。相對于傳統(tǒng)的平均衰減率外推法,此方案更能反映實驗數(shù)據(jù)中隱藏的電極動力學變化趨勢,對于50%性能損失壽命的預測結果與實驗數(shù)據(jù)相比誤差小于4%。
【學位單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM911.4
【部分圖文】：

２．１燃料電池概述??燃料電池是通過化學反應發(fā)電的能量轉換裝置，具有陽極和陰極兩個電??極。如圖２－１所示電極是發(fā)生電化學反應的場所，每個電極上有都促使電化??學反應更容易發(fā)生的催化劑，而電化學反應產生的帶電粒子將通過電解質到??達相對的另一個電極，同時電子通過外電路形成電流，驅動外電路所連接的??負載電子設備工作，該電流最終返回燃料電池，完成電路。產生電流的電化??學反應是決定燃料電池工作特性的關鍵。??Ｌｏａｄ???????Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｆｕｅｌ?＾???Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｏｘｉｄａｎｔ?ａｎｄ??ｏｕ＾ｕｔ?’一?珍?＾?ｐｒｏｄｕｃｅｓ?ｏｕｔｐｕｔ??＾ＩＨＴ７??Ｈｉ－ｅ］??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??圖２－１燃料電池工作原理示意圖Ｗ??氫和氧是維持燃料電池工作的基本燃料。燃料電池的一個巨大吸引力在??于用于發(fā)電的大部分氫和氧最終結合在一起形成無污染的水。然而單個燃料??電池產生較小的輸出電壓，這使得許多燃料電池通常需要堆疊組裝成如圖２??所示的電堆使用。??ＣＵｉｍｐｉｎｆ?ｐＵｔｅ??Ｉ?Ｇａｓｋｔｔ??＇?Ｂｉｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ??Ｗ?ＭＥＡ?ｗｉｔｈ?Ｇ？ｓｋｃｔ??圖２－２燃料電池單池堆疊成電堆結構示意圖ｌ７］??－２－??

２．１燃料電池概述??燃料電池是通過化學反應發(fā)電的能量轉換裝置，具有陽極和陰極兩個電??極。如圖２－１所示電極是發(fā)生電化學反應的場所，每個電極上有都促使電化??學反應更容易發(fā)生的催化劑，而電化學反應產生的帶電粒子將通過電解質到??達相對的另一個電極，同時電子通過外電路形成電流，驅動外電路所連接的??負載電子設備工作，該電流最終返回燃料電池，完成電路。產生電流的電化??學反應是決定燃料電池工作特性的關鍵。??Ｌｏａｄ???????Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｆｕｅｌ?＾???Ｄｅｐｌｅｔｅｄ?ｏｘｉｄａｎｔ?ａｎｄ??ｏｕ＾ｕｔ?’一?珍?＾?ｐｒｏｄｕｃｅｓ?ｏｕｔｐｕｔ??＾ＩＨＴ７??Ｈｉ－ｅ］??Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??圖２－１燃料電池工作原理示意圖Ｗ??氫和氧是維持燃料電池工作的基本燃料。燃料電池的一個巨大吸引力在??于用于發(fā)電的大部分氫和氧最終結合在一起形成無污染的水。然而單個燃料??電池產生較小的輸出電壓，這使得許多燃料電池通常需要堆疊組裝成如圖２??所示的電堆使用。??ＣＵｉｍｐｉｎｆ?ｐＵｔｅ??Ｉ?Ｇａｓｋｔｔ??＇?Ｂｉｐｏｌａｒ?ｐｌａｔｅ??Ｗ?ＭＥＡ?ｗｉｔｈ?Ｇ？ｓｋｃｔ??圖２－２燃料電池單池堆疊成電堆結構示意圖ｌ７］??－２－??

步提高系統(tǒng)效率，這使得燃料電池在從燃料中提取能量方面具有更高的理論??效率。??堿性燃料電池（ＡＦＣ）工作原理如圖２－３所示，在通入壓縮氫氣和氧氣??的條件下運行，通常使用氫氧化鉀水溶液作為電解質，工作溫度為２０￣８０°Ｃ。??電池輸出范圍從３００?Ｗ？５?ｋＷ。在美國宇航局的阿波羅計劃中曾使用堿性電??池來為宇航倉提供電力和飲用水。然而，液態(tài)的水溶液電解質使其存在電解??液泄露的風險，同時催化劑利用率也較低。??Ａｌｋａｌｉ??Ｆｕｅｌ?Ｃｅｌｌ??Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?一＾?▲?—＾??Ｆｌｗ??Ａ／＼Ａｙ???卞?Ｌ〇ｄｄ?４??Ｈｙｄｒｏｇｅｎ?［？?〇ｔ?｜?愈會?＾ｂｌ＇ｌ〇＊ｖＢｅｎ??°?＾＿?ｔｏｎｓ??衂００６?Ｅｌｅａｒｏｙｔｏ??圖２－３?ＡＦＣ工作原理示意圖丨８】??－３－??
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