2016哈工大硕士论文中期检查模板

哈尔滨工业大学

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内容及进度安排进行

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，也避免了堆叠结构PEMFC的复杂拆卸过程，方面更换维修。为了完成开题报告预定内容，首先对质子交换膜燃料电池进行理论学习、研究；通过建模、测试几种传统的质子交换膜燃料电池堆，与其进行比对，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，对电池进行结构优化和加工。最后，对组装完毕的电池按计划进行测试和分析。截止到中期报告，已完成了对该质子交换膜燃料电池的基本性能实验、温度特性实验，正按照预定计划进行工作。

本文围绕如下方面对前期工作进行梳理与总结：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，比如手机电池、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1.1 autocad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应分别为：

总反应：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。

当电池电化学反应开始时，两侧燃料具有不同的化学势；在PT的催化作用下，降低了反应物的活化能，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，与氧气反应生成水；阴极一侧的可逆反应同样产生了电位。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。此时两极绝对反应速率相等，及Ia=Ic=I0.

电池外接负载时，两侧电极平衡打破，产生过电位；两极反应物活化能势垒变化，绝对反应速度不在相等，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，以及电池内部的欧姆极化。

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应，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，需要假设反应受控与某一步骤，而其他步骤处于平衡态。比如一般情况下，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，则必须考虑产物水对阴极反应的影响。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应的发生。所以还需要设定反应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，再同一层中具有相同的特征参数，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 到扩散层表面时氧气的浓度分布

仿真结果表明，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达到最大值。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。这个反应需要氢气穿过阳极多孔介质到达催化表面的活性区域。在阴极，质子在固体催化剂作用下和氧离子结合生成水。参加反应的氧通过阴极接触层上的聚电解质中的孔到达反应区域。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。但是如果反应中产生过多的水，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行仿真之后，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较大，所以其结构容易出现表面受力不均匀，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。