管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制

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1、上海交通人学博士学位论文摘要管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制摘要直接甲醇燃料电池fDMFC)直接将甲醇和氧气的化学能转变为电能，无须重整制氢，液体甲醇的体积能量密度高，易于携带和存储，因此DMFC特别适用于便携式电源。目前DMFC的单电池和电堆在结构上采用平板型设计，需要用昂贵的双极板作为反应物输送的流道，以及串联各个单电池向负载输送电子的通道，由于双极板的流道狭窄，需要外围设备来储存、输送反应物用于维持系统正常工作，使得DMFC电堆集成度低，不能满足便携电源的要求。双极板的使用不仅增加了电池堆的制作成本，还给系统的安装、维护带来困难，一个单电池性能下降，必须将其他电池一起拆丌，重新组

2、装。针对平板型DMFC的不足，提出了管状直接甲醇燃料电池(TDMFC)的设计概念，在考察了膜电极制各工艺对电池性能影响的基础，l==，选择喷涂：亡艺，采用平面膜进行弯曲热压制备了管状膜电极，组装了管状直接甲醇燃料电池和小电堆；为了解决管状燃料电池的密封问题，又采用多孔石英管作为支撑体，用Nafion溶液浸渍制备了管状自支撑质子交换膜，并制各了管状自支撑直接甲醇燃料电池。建立管状直接甲醇燃料电池动态模型，进行数值求解，对管状直接甲醇燃料电池运行中，反应物、产物的浓度分布和温度分布给出动念仿真结果；利用热力学参数分析了燃料电池理论效率和实际效率，对DMFC效率与电流密度等工作条件的关系进行分析。分

3、析阴极水的来源，建立与了空气进口流量、湿度和工作电流密度有关的阴极出151水蒸气浓度动态模型，用神经网络进行系统辨识，利用神经网络预测控制器实现了对TDMFC的阴极水蒸气出口浓度的控制。本论文的主要工作：(1)在考察制备膜电极工艺的基础上，设计制造了用于平面膜制备管状燃料电池的成型夹具，选择喷涂法和弯曲热压工艺制作了TDMFc单电池，组装了一个TDMFC电堆。单电池性能为：电池的阳极催化荆载量为2mg·cm～Pt，阴极催化剂T上海交通大学博士学位论文载量为3mg-cm。2Pt．Ru，液态甲醇溶液温度为80℃时，空气自呼吸方式，电池的最大功率可以超过10mW·伽～。(2)采用多孔陶瓷管浸渍全氟磺

4、酸树脂溶液制备自支撑管状质子交换膜，壁厚为O．7mm的致密管状膜的电导率为1．46S-m～。将所得的管状自支撑质子交换膜，分别采用阳极催化剂用刷涂法制备在管的内侧，阴极催化剂采用喷涂工艺喷到管的外侧，然后将扩散层用弹簧的形变力固定并与催化剂层紧密接触，制得管状燃料电池。阳极侧通入80。C的2M甲醇溶液，阴极侧通入室温氧气，得到电池的性能为8mW·cm～。(3)采用活塞流反应模型和列管式换热器原理建立了管状直接甲醇燃料电池模型，用于分析反应物和产物的浓度分布、温度分布，对TDMFC系统的设计简化，以及选择控制变量和参数提供参考。(4)对直接甲醇燃料电池的实际效率进行分析，探讨了DMFC效率偏低的

5、主要原因，提出了提高DMFC效率建议和方案，如提高电池的工作温度，降低质子交换膜的透醇率以及提高催化剂活性等。(5)分析了阴极水的来源，指出电化学反应和电拖曳是电池在工作状态下阴极水的主要来源，采用恒压变容分析了系统的膨胀因子，利用质量守恒方程，建立了阴极水的动态方程，综合考虑了阴极空气进口流速、湿度、电极过程电流密度对出口水蒸气浓度的影响。采用神经网络预测控制器，对阴极水蒸汽浓度进行控制，仿真结果表面，控制品质和鲁棒性好，并具备良好的跟随性能和抗干扰能力。关键词：直接甲醇燃料电池(DMFC)，管状直接甲醇燃料电池(TDMFC)，管状自支撑质子交换膜(STPEM)，神经网络，预测控制IIr海交

6、通大学博士学位论文AbstractMANUFACTURE，MODELINGANDCONTROLOFTUBULARDIRECTMETHANOLFUELCELLABSTRACTDirectMethanolFuelCell(DMFC)convertsthechemicalenergyofmethanolandtheoxygenintotheelectricalenergydirectly,withoutreformingprocess．DMFCcanbeusedforportablepowersourcesspecially,becausethefuelpossessesthecharacteris

7、ticssuchashigherpowerdensity,cheapnessandstorageconvenience．TheDMFCstackwasdesignedinplannarstructure，whichneedstheexpensivebi-polartotransferthereactantstoeveryfuelcellandtheelectronsproducedbyelectr