论文总字数：21229字

摘 要

近年来，全球能源和生态问题愈发严峻，化石燃料资源的匮乏和其燃烧后产生的污染以及核能的风险等，都是我们人类正面临的重大问题。因此，我们对新的能源的需求就显得异常急迫，而从上世纪90年代开始研究的质子交换膜燃料电池给我们带来了新的能源来源方式，也成为了现如今炙手可热的研究课题。本文通过向质子交换膜燃料电池阳极添加2种浓度的(即200,500 mg/L)杂质金属溶液，并使用EIS实验等方法，研究杂质金属浓度对质子交换膜燃料电池性能的影响。最终的实验结果表明，当浓度增加，PEMFC电压则随之降低。在电流密度为500 mA/，当污染时间超过20个小时后，被 200、500 mg/L 两种浓度溶液污染下的电池电压均降低至原有值的26%左右；PEMFC的最大功率密度伴随着金属浓度的上升而下降，被 200 , 500 mg/L 污染20h后的PEMFC最大功率密度只达到了污染前最大功率密度的46%和29%。被 200 , 500 mg/L 溶液污染阳极20h后，PEMFC电压都有明显下降。结论表明，金属溶液浓度以及污染时间都会对PEMFC的电化学性能会有明显的影响。

关键词：能源 质子交换膜燃料电池 污染；金属 性能下降

Effect of impurity contaminant on the performance of PEMFC

Abstract

In recent years, the global energy and ecological problems are becoming more and more serious. The scarcity of fossil fuel resources, the pollution caused by burning fossil fuels and the risks of nuclear energy are all the major problems we are facing. Therefore, our demand for new energy is extremely urgent, and the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which has been studied since the 1990s, has brought us new energy sources and has become a hot research topic nowadays. In this paper, by adding two kinds of impurity (200、500 mg / L) metal calcium ion solution to the proton exchange membrane fuel cell anode and using EIS experiment, the impurity was studied. Effect of calcium ion concentration on the performance of proton exchange membrane fuel cells. The final experimental results show that the voltage of PEMFC decreases with the increase of calcium concentration. At a current density of 500 mA/, when the pollution time exceeds 20 hours, The maximum power density of PEMFC decreased to about 26% of the original value under the pollution of calcium ion solution of 200、500 mg/L concentration, and the maximum power density of PEMFC decreases with the increase of the concentration of calcium ion contaminated solution. The maximum power density of PEMFC after being polluted by 200、500 mg/L calcium ion for 20h is only up to the maximum power density. By the time the maximum power density before pollution is 46% and 29%. The voltage of PEMFC decreased significantly after the anode was contaminated with 200、500 mg/L calcium solution for 20 h. The experimental results show that the concentration of metal calcium ion solution and the time of contamination will have a significant effect on the electrochemical performance of PEMFC.

Key Words: Energy；Proton Exchange membrane fuel cells；pollution；calcium ion；performance degradation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 本课题研究的目的及意义 1

1.2 质子膜燃料电池 2

1.2.1 PEMFC的工作原理 2

1.2.2 质子交换膜 3

1.2.3 系统设计及优化 3

1.2.4 常用研究方法 4

1.2.5 杂质污染物对PEMFC影响的研究现状 5

1.3 本课题的主要研究内容 9

1.3.1 金属对PEM燃料电池的电化学性能影响的实验研究 9

1.3.2 表征燃料电池中毒的研究方法 9

第二章 金属对PEMFC的性能影响实验研究 11

2.1 引言 11

2.2 试验系统 11

2.2.1 PEMFC系统 11

2.2.2 PEMFC测试系统 16

2.2.3 杂质溶液滴加系统 16

2.2.4 金属钙离子溶液的制备 17

2.3 氧气和氢气流量的计算 17

2.3.1 氢气用量 17

2.4 实验过程 18

第三章 实验结果及分析 20

3.1 PEMFC阳极侧被金属污染时间对其性能影响 20

3.2 金属污染PEMFC阳极侧对其性能的影响 22

第四章 结论与展望及经济评价 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

4.3 经济评价 27

4.3.1 资金筹备 27

4.3.2 实验所需费用明细 27

参考文献 29

致谢 32

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.1.1 课题背景

近几年来，外国的能源机构曾有表示，伴随着石油、煤炭等主要能源的日益减少，21世纪可能会变成氢能的新时代。通过电化学反应将燃料中的化学能量直接转换成电能而不发生燃烧现象的装置被称作燃料电池。其最大优势在于不受卡诺循环的限制，从而优于传统、主流的火力发电，反应结束剩余的的污染物质排放量非常低，但能量转化效率却比较高，之前所提及的主流火力发电仅为百分之三十左右，燃料电池可比前者高十五个百分点，如果在技术上加以完善并加以合理利用，其最终效率可达到百分之六十以上。PEMFC是早期以磷酸盐为主要反应物质的燃料电池之后出现的第二种主流燃料电池。因为采用全氟磺酸膜为电解质，以纯氢或净化重整气为燃料，所以具有污染小、几乎无有害物质残余、低温启动、能量转化效率好等优点，也因此被认为是继核、水、火三大主流发电形式之后的第四大能量转化发电的方式，有预测它会在新型发电站电站、电动汽车行业、重复利用便携式电源、军事行业、航空航天技术等方面有着可以预见的、广阔的应用前景^[1] 。

1.1.2 本课题研究的目的及意义

现如今化石能源储量已临近枯竭，加之人类对化石能源的依赖又非常之深。并且，化石能源所带来的温室效应，以及环境污染等问题也一直困扰着我们。人类只有一个地球，共同保护地球生态环境是我们每个人的应尽的义务。

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