哈工大硕士论文中期检查模板.docx

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哈工大硕士论文中期检查模板

工业大学

硕士学位论文中期报告

题目：

一种微型平面式质子交换膜燃料电池的研究与实践

院〔系〕航天学院电子科学与技术系

学科

导师

研究生

学号

中期报告日期2016年1月29日

研究生院制

二〇一六年一月

1．论文工作是否按开题报告预定的容及进度安排进展

本课题所研究的是一种微型平面式质子交换膜燃料电池。

根据项目具体要求，提出了一种新型的PEMFC设计方案，并制作实践，为实际应用提供可靠的选择。

该电池采取平面结构设计，小巧轻薄；工作方式采用被动式，即阴极暴露在空气环境中；同时，也防止了堆叠结构PEMFC的复杂拆卸过程，方面更换维修。

为了完成开题报告预定容，首先对质子交换膜燃料电池进展理论学习、研究；通过建模、测试几种传统的质子交换膜燃料电池堆，与其进展比对，从而更为直观的了解这款微型质子交换膜燃料电池的优缺点。

然后，通过comsol软件仿真以及solidworks软件的建模，对电池进展结构优化和加工。

最后，对组装完毕的电池按计划进展测试和分析。

截止到中期报告，已完成了对该质子交换膜燃料电池的根本性能实验、温度特性实验，正按照预定计划进展工作。

本文围绕如下方面对前期工作进展梳理与总结：

即外形设计、性能仿真、结构优化、数据采集、以及实验结果比对与分析；另外，在实验过程中还遇到一些问题与困难，初步解决后还需要进一步研究完善方案。

2．目前已完成的研究工作及结果

截止到2016年1月29日，按照安排完成如下：

一、外形设计

微型质子交换膜燃料电池，体积小巧，能根据场合的不同调整电池堆的节数，其大小具有良好的可塑性。

无论是主动式或被动式电堆，其传统结构均为堆叠式，在垂直方向上占用大量空间；在一些使用场合，比方手机电池、平板电脑、电子书及液晶电视上，均需要很薄的平面结构的供电装置。

电池的设计思路是设计一款具有平面特征的微型质子交换膜燃料电池，电池的核心是膜电极，其厚度只有0.4mm；下列图为autocad构建的电池示意图；由透视图可以看到，电池充分利用了膜电极厚度薄的特征。

图1.1autocad下电池模型透视图

二、仿真分析

当质子交换膜燃料电池以氢气和氧气分别作为两侧电极的燃料时，电池两极的电化学反响分别为：

总反响：

2H2+O2=2H2O

阳极：

阴极：

膜电极中质子交换膜两侧的碳纸相当于多孔介质，负责电池工作时的传质，电流输运，催化剂PT担载以及支撑；其效用类似于铂电极。

所以仿照可逆氢电极，即标准氢电极，仿真时，把阳极电极作为辅助电极和参考点，阴极电极作为工作电极。

当电池电化学反响开场时，两侧燃料具有不同的化学势；在PT的催化作用下，降低了反响物的活化能，由TAfel公式，阳极氢气不断转化为氢离子，产生电势，并转移电子即释放了吉布斯自由能，转化为电能。

同时，氢离子通过质子交换膜的输运，转移到阴极，在PT催化下，与氧气反响生成水；阴极一侧的可逆反响同样产生了电位。

这样，电池两极便产生电势差，直到体系处于平衡态，即平衡电位。

此时两极绝对反响速率相等，及Ia=Ic=I0.

电池外接负载时，两侧电极平衡打破，产生过电位；两极反响物活化能势垒变化，绝对反响速度不在相等，在外电路产生净电流；同时伴随着膜中氢离子浓度的变化，导致浓差极化，以及电池部的欧姆极化。

质子交换膜燃料电池实际工作是一个多控制步骤混合控制的动力学过程。

主要控制步骤包括电化学反响，氢离子的传质，燃料的传质，产物的传质等。

为了仿真模拟电池的工作情况，研究某一步骤对电池的影响，需要假设反响受控与某一步骤，而其他步骤处于平衡态。

比方一般情况下，在静态仿真时，需要设定电池温度为常数；在考察阳极传质时，可以假设阴极处于平衡态，设定整体等效电阻以及氢气在多孔介质中的有效扩散系数。

如果研究电池阴极的传质过程，那么必须考虑产物水对阴极反响的影响。

因为对于质子交换膜燃料电池来说，必须是三相界面才可以有效保证电池反响的发生。

所以还需要设定反响物在水中的溶解度和扩散系数等。

此处模型基于以下假设：

1多孔介质为各向同性，再同一层中具有一样的特征参数，如渗透率、组分扩散系数、和黏性系数

2电池工作状态稳定

3气体混合物为理想气体

4质子交换膜对气体不可渗透，只允许水分子和质子通过

5忽略双极板欧姆电压降

6达西定律描述气体在多孔介质中的流动

7阴极留到中的气体扩散与对流用MAXWELL多组分扩散方程

图2.1二种流场下电池催化层的电流密度

图2.3到扩散层外表时氧气的浓度分布

仿真结果说明，对于被动式质子交换膜燃料电池来说，阴极极板采取方形孔，可以令电流密度有所提高；同时在没有与催化区域接触之前，氧浓度在燃料电池阴极附近到达最大值。

氧化过程发生在催化活性区域并转移电子和离子电流的电荷。

这个反响需要氢气穿过阳极多孔介质到达催化外表的活性区域。

在阴极，质子在固体催化剂作用下和氧离子结合生成水。

参加反响的氧通过阴极接触层上的聚电解质中的孔到达反响区域。

为了减少传输阻力，要尽量缩短氧通过聚合物的路径，同时要求足够的聚合物材料来减少传输质子的离子流的阻力。

但是如果反响中产生过多的水，会让电极被水淹没，制造运输限制并降低能量的输出，甚至使输出中断。

通过对质子交换膜燃料电池的仿真，为后续的工作开展提供了优化依据。

三、结构优化

在对电池的结构和性能进展仿真之后，确定了该微型质子交换膜燃料电池的设计参数。

但是相对于其厚度，平面型电池长和宽比拟大，所以其结构容易出现外表受力不均匀，长时间装配后，容易出现变形，从而导致气密性下降。

所以电池的结构需要选用屈服强度大，耐久度好，硬度高，不宜腐蚀的材料。

PEMFC极板的材料选择通常是石墨、石墨与聚合物复合或者金属。

纯石墨板很脆，抗冲击能力不强；需要精细的机械加工；但是其价格相对低廉，导电性好。

所以目前应用最广泛的双极板是石墨板。

金属导电性好，机械强度非常高、阻隔气体效果好、容易加工。

但是通常的金属板（如不锈钢、铝合金和钛板等）在PEMFC的工作环境中被腐蚀（包括阴极氧化膜加厚、阳极腐蚀等），导致电极催化剂和膜受到污染，燃料电池性能降低。

因此，在采用金属为PEMFC的双极板材料时，必须对金属的外表处理，镀金的本钱十分昂贵所以本课题采用一种新型聚合物材料，PPO〔聚苯醚〕工程塑料进展端板的设计。

下列图为几种材料的数据比照：

表3.1三种材料主要力学参数比照

下列图为组装好的电池；经过一个月后，气密性依然良好，各组件可塑性形变根本没有，所以PPO材料可以很好的胜任电池端板和流场的构建。

电池的整体大小为：

120mm×50mm×6.5mm。

端板采取混合流场，兼顾平行流场和蛇形流场的优点，令氢气可以充分均匀的扩散至膜电极。

在图纸阶段，使用solidworks三维建模软件进展设计，如下：

微型PEMFC装配体

为了对该微型质子交换膜燃料电池的优劣势有充分的说明以及优化其结构，同时测试了其他的燃料电池，并且用软件对其结构进展比对：

图3.5加风扇的石墨电堆工作示意图

这款由石墨双极板制作的被动式电池，厚度在2.6mm左右阳极侧采取混合流场，接触面积与沟道的比例为1:

1;阴极为平行流通的沟道，厚度为1.8mm。

10片双极板的堆叠结构采取蛇形通气结构从片1进入；电堆后面加装一个小功率风扇，从前端将气流引入电堆。

这款金属双极板电池，阴极用空气泵注入空气，单片厚度为1mm左右、这种电池优势在于阴极的供气方式有效的将氧充分均匀的输送到膜电极阴极，单位面积可以产生不错的电流密度；但极板外表镀金处理价格不菲。

四、实验数据

图4.1电池实际工作图

A

图4.2室温环境不同流速时电池性能曲线

可以看到，质子交换膜燃料电池阴极与空气自然接触，阳极通过不同流速的燃料时，电池的I-V曲线的整体变化趋势一样；而差异在于曲线的斜率，即下降走势不同；当流速很小时，氢气供给量缺乏，同样的电压下，电流密度小；氢气流速加大，电流密度增加，即一样外电流下，电池的过点位更小；对于大流速下，曲线变化不明显，说明用于阳极反响的氢气已经饱和，此时再增加氢气流速，对电池的性能影响不大。

和主动式PEMFC相比，该电池到达功率最大时的电流约为3A左右。

当氢气流速在80毫升/分钟以上时，功率密度为150~158mw/cm2；主动式质子交换膜燃料电池为250~300mw/cm2;商用被动式石墨电池约为140~160mw/cm2。

图4.3电池长时间放电性能图4.4电池性能的衰减

。

长时间放电时，电池启动后逐渐调大工作电流，约二分钟后，在预定电流下工作；输出功率随时间不断升高，约8分钟左右电池进入最正确功率点，并可以稳定工作。

试验在电池输出恒定电流下，每隔几天后，电池的放电性能，可以看到电池在一周的放电性能化不是很大，但是有下降趋势，而一周很，电池的性能有明显的下降，这是由于质子交换膜随时间而受到一定程度的污染，从而导致氢离子转移效率变低。

图4.5电池在室和室外环境中的性能比对图4.6湿润与枯燥条件下电池的性能测试

不同环境下可以看出电池在室温高的环境下会有更好地输出性能，而温度越低，不但会影响质子交换膜的性能，而且也会导致电极电化学反响的速率下降；温度越高，电池在电流阶跃使，到达稳定值得时间也越短。

所以当把电池至于窗外后，冬天很低的温度导致电池性能的下降；

质子交换膜燃料电池氢气作为燃料时，模电极需要充分润湿，以提高膜对氢离子传送速率；但是往往阴极碳纸湿润过度会造成阴极水淹，水覆盖在碳纸上，氧气传质阻力增大，降低了电极上的电化学反响速度。

虽然低温微型质子交换膜燃料电池不会出现阴极大量液态水，但是也会降低电池的性能不润湿的话，电池在启动阶段的输出效果不是很理想；nafion膜在枯燥时候的质子传递性能不佳。

图4.7电池集流板温度随时间变化曲线

随着电池不断工作，其温度不断上升，但温度到达42度左右温度不再上升；说明被动式质子交换膜燃料电池处于低温工作区。

图4.8电池放电I-V的tafel曲线拟合

图中可以看到，PEMFC工作时，其电流电压关系，近似可以符合TAfel理论曲线；但是由于实际工作中的膜电极中双电层以及欧姆计划浓差极化等影响，所以会偏离理论值。

五、遇到的问题和现象

1）在微型质子交换膜燃料电池封装以及实验过程中，遇到第一个问题是电池的气密性问题。

在装配时，上下两层端板间放置两层胶垫，但实验初期气密性检查时，阳极电联处集流板和端板贴合的位置会出现漏气；考虑到后续实验中拆装的简便，用硅胶密封。

处置完成后，该电池具有良好的气密性。

2）电池测试过程中，发现集流板电联局部与电子负载电接触会对电池输出性能产生很大的影响，所以在集流板电联处电焊上导线，增加接触面积，减小电阻。

3〕对电池进展电流阶跃法测量时，在电流阶跃到设定值后，输出电压随时间变化趋势如下列图，

可以看到电池工作过程中，一直伴随着电压值围绕变化趋势的小幅度上下波动。

可见这个波动无规律的变化，反映了电池工作过程中的非线性效应。

说明电化学体系中存在大量非线性影响，比方传质过程中，阳极的氢气在流场中流动，会出现流速在拐角处的突变，而流速的变化回令骑在扩散层的扩散行为产生非线性特征；当其与电极催化反响以质子交换膜中扩散耦合时，会导致电流密度的波动。

以该电池为例，当电流密度增加，阴极生成的水增加，从而使限制了氧气的扩散，电流密度下降，当外电流减小后，又会降低电池电位的欧姆极化，使输出电压有增加的趋势。

3．后期拟完成的研究工作及进度安排

2016年3月-4月进一步研究被动式质子交换膜燃料电池，根据前期试验中出现的问题，提出解决方案；如改善电池电联，增加电池的性能。

2016