碱性阴离子交换膜燃料电池性能和电化学特性的实验和理论研究

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1、天津大学硕士学位论文碱性阴离子交换膜燃料电池性能和电化学特性的实验和理论研究ExperimentalandModelingStudyonElectrochemicalCharacteristicsofAlkalineMembraneFuelCell学科专业：动力机械及工程研究生：周嘉珣指导教师：焦魁教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要自人类社会进入二十一世纪以来，化石能源的枯竭和环境污染问题日渐严重，并且我国近几年又面临严重的雾霾问题。燃料电池由于具有启动迅速、能量转化效率高、对环境污染小等优点，受到社会各界的广泛关注。与质子交换膜燃料电池(PEMFC,protonexchangeme

2、mbraneorpolymerelectrolytemembranefuelcell)相比，碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC,alkalineanionexchangemembranefuelcell)由于工作在碱性环境，因而可以使用非贵金属催化剂和低成本的金属硬件。此外AEMFC还具有燃料渗透速率低，电化学反应迅速等优点，因而受到广泛关注，近年来相关的研究也越来越多。在本研究的实验部分，以A901碱性阴离子交换膜为基础，通过膜电极的制备，燃料电池的装配及测试系统的搭建，进行了不同工作温度，工作湿度，阴阳两极不同背压，催化层中不同电解质含量和不同MPL条件下的性能测试和电化学阻抗分析，此外

3、还进行了电池耐久性测试和改进耐久性的尝试。结果表明，提高工作温度和背压可以提高电池性能，且阳极到阴极的压力梯度有利于液态水在阳极和阴极的平衡分布，可以十分明显地改善电池的工作特性；适当的电解质含量是保证燃料电池性能表现的必要因素；阳极MPL可以改善电池的欧姆损耗和活化损耗，有利于电池性能的提升；AEMFC的耐久性较差的主要原因是阳极活化损耗随时间的急剧增大。在仿真研究部分，建立了单流道AEMFC多相流稳态模型，基于液体压力连续性方法，模拟了燃料电池的运行特性和电池内部的多相流输运，揭示了电极内的质量输运特性。仿真结果的极化曲线和欧姆过电势与实验数据具有良好的一致性。结果表明：提高阳极和阴极的工

4、作压力可以改善电池的电化学动力学特性，提高热力学可逆电压，减小反应物的浓度损失，进而提高电池的工作性能；增大阳极到阴极的压力梯度可以显著促进液态水的跨膜渗透，缓解阳极水淹问题，为阳极电化学反应提供更多的活化区域，进而提高阳极反应动力学，此外，考虑到水是阴极反应中的主要反应物，液态水的跨膜渗透可以改善阴极相对缺水的状况，使阴极的活化过电位大幅降低；尽管压力梯度显著促进了液态水的跨膜渗透，但膜电极中的平均含水量保持相对稳定，导致膜电阻的变化相对较小。关键词：碱性阴离子交换膜燃料电池，性能测试，电化学阻抗，耐久性，解析模型，液态水传输IABSTRACTSincehumansocietyentered

5、the21stcentury,depletionoffossilfuelsandenvironmentalpollutionhadbecomeincreasinglyserious.Duetotherapidstart-up,highefficiency,lowenvironmentalpollution,fuelcellhasattractedwidespreadconcern.AEMFC(alkalineanionexchangemembranefuelcell)operatesinanalkalineenvironment,makingitpossibleforusingno-preci

6、ousmetalcatalystsandlow-costmetalhardware.Inaddition,AEMFCalsohastheadvantagesoflowfuelpermeationrateandrapidelectrochemicalreaction.Intheexperimentofthisstudy,basedontheA901anionexchangemembrane,thepreparationofmembraneelectrodeandfuelcellassemblyarecarriedout.In-situexperimentsforperformancetest,d

7、urabilitytestandelectrochemicalimpedanceanalysiswithdifferentoperatingconditionsarecarriedout.Theresultsshowthatincreasingtheoperatingtemperatureandthebackpressurecanimprovetheperformanceofthefuelcell