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管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制

作　者: 于如军
导　师: 曹广益
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
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
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 379次
引　用: 2次
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内容摘要

直接甲醇燃料电池（DMFC）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开,重新组装。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,在考察了膜电极制备工艺对电池性能影响的基础上,选择喷涂工艺,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,并制备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态仿真结果;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口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:电池的阳极催化剂载量为2 mg·cm^-2Pt,阴极催化剂载量为3 mg·cm^-2Pt-Ru,液态甲醇溶液温度为80℃时,空气自呼吸方式,电池的

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-30
  1.1 燃料电池概述  12-14
  1.2 直接甲醇燃料电池  14-17
  1.3 燃料电池组的结构  17-20
  1.4 管状质子交换膜型燃料电池的现状  20-23
  1.5 聚合物电解质膜的研究进展  23-25
  1.6 DMFC 的建模和控制研究现状  25-28
  1.7 直接甲醇燃料电池技术目前开发的重点  28
  1.8 本文的主要工作内容和创新点  28-30
第二章平面膜制备管状DMFC  30-52
  2.1 引言  30-31
  2.2 实验材料与仪器  31-33
  2.3 膜电极制备工艺  33-36
  2.4 管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池  36-39
  2.5 实验结果  39-45
  2.6 管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池性能  45-50
  2.7 小结  50-52
第三章管状自支撑质子交换膜的制备  52-68
  3.1 引言  52-55
  3.2 实验  55-61
  3.3 SEM 表征结果  61-63
  3.4 STPEM 电导率  63-64
  3.5 管状直接甲醇燃料电池性能  64-65
  3.6 小结  65-68
第四章管状直接甲醇燃料电池的建模和仿真分析  68-86
  4.1 引言  68-69
  4.2 管状直接甲醇燃料模型建立  69-79
  4.3 数值仿真和分析  79-84
  4.4 小结  84-86
第五章 TDMFC 阴极水蒸气浓度的神经网络预测控制  86-108
  5.1 前言  86-87
  5.2 阴极湿度对DMFC 的影响  87-89
  5.3 预测控制  89-93
  5.4 人工神经网络  93-95
  5.5 神经网络预测控制  95-98
  5.6 阴极水蒸气浓度机理建模  98-102
  5.7 系统辨识  102-104
  5.8 基于神经网络的预测控制  104-106
  5.9 小结  106-108
第六章总结与展望  108-112
参考文献  112-122
致谢  122-124
攻读博士学位期间发表的论文及申请专利  124-126

管状直接甲醇燃料电池的研制及其建模与控制

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