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碱性膜燃料电池电极设计对性能和传输过程影响的研究
| 论文题名： | 碱性膜燃料电池电极设计对性能和传输过程影响的研究 |
| 关键词： | 燃料电池车;碱性阴离子交膜燃料电池;电极设计;电池性能;液态水传输 |
| 摘要： | 随着能源和环境问题日益严峻，节能减排的要求逐渐提升。以内燃机为主要动力源的车辆，作为主要的能耗和排放来源，是节能减排的重要领域。因此，相对低能耗、低排放和高效率的电动车(Electric vehicle，EV)和燃料电池车(Fuel cell vehicle，FCV)逐渐受到越来越多的关注。但是基于中国国情，考虑到电能的来源和H2的制备方法，内燃机车(Internal combustion engine，ICEV)、EV和FCV的优劣尚未可知，因此本研究首先基于中国国情、通过生命周期分析，比较了ICEV、EV和FCV在能耗、碳排放和总体效率等方面优劣。结果表明，通过天然气重整与核电电解水制备H2的燃料电池车在上述三个方面都是可行的。 在车用燃料电池中，碱性阴离子交换膜燃料电池(Alkaline anion exchange membrane fuel cell，AAEMFC)是具有竞争力的选择之一。和质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)相比，AAEMFC具有较好的电化学动力学特性和较低的贵金属催化剂依赖性，因而被广泛关注。在AAMEFC的结构中，电极设计对其性能有着重要的影响，如电解质含量、有无微孔层(Micro porous layer，MPL)。相关的实验研究相对缺乏。因此，本研究制备了不同电解质含量的AAEMFC，总结出不同电解质含量对燃料电池性能的影响;引入MPL、提高阳极背压和相对湿度的影响也通过实验加以总结。结果表明，电解质含量越高，燃料电池性能越好，耐久性越长;引入微孔层、提高阳极背压也会改善燃料电池的性能。 最后，本文建立了AAEMFC的三维多相流非恒温数值模型，深入电池内部，从水管理的角度解释引入MPL、提高阳极背压和削减膜厚度对于液态水传输和电池性能的影响。结果表明，引入阳极MPL、提高阳极背压和削减膜厚度，会改善电池性能，且增幅与电流密度成正比，而引入阴极MPL对电池性能影响较小，因为阴极处于缺水状态，MPL无法发挥作用。随着阳极背压的提高和AAEM厚度的削减，AAEM中水传输的主导机制发生变化:由扩散为主变成扩散和渗透并重。此外，在相邻的多孔层界面，可以观测到液态水阶跃现象。 |
| 作者： | 王大为 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理；动力工程 |
| 导师： | 焦魁 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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