“質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的原位測(cè)定”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)
1、概述燃料電池(FuelCells)是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、低污染、環(huán)境友好的突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，當(dāng)前正在成為各國(guó)政府與大公司研究和開發(fā)焦點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCells，PEMFC)，是繼堿性燃料電池(AFC)、磷酸鹽燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)之后正在發(fā)展的第五代燃料電池。它除了具有其他燃料電池的一般特點(diǎn)外，同時(shí)還具有比功率與比能量高、可室溫快速啟動(dòng)、無電解液腐蝕與溢漏問題等優(yōu)點(diǎn)。因此，PEMFC在作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源，移動(dòng)式電源及分散電站等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，傳統(tǒng)燃油汽車產(chǎn)生大量的廢氣污染；燃料電池技術(shù)作為交通運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力電源在對(duì)應(yīng)對(duì)全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放方面至關(guān)重要。2015年1月底全球首輛量產(chǎn)氫燃料電池車豐田Mirai在日本交貨，預(yù)示著基于燃料電池技術(shù)電動(dòng)車的商業(yè)化已經(jīng)成熟。2017年，全球各國(guó)（地區(qū)/城市）燃油車禁售計(jì)劃的提出更是進(jìn)一步助推了當(dāng)前燃料電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。2、工作原理PEMFC的工作原理如圖所示：?1）在PEMFC陽極氫氣通過陽極流場(chǎng)到達(dá)陽極，氫分子氧化生成質(zhì)子（H+）和電子（e-）。2）質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳輸?shù)竭_(dá)陰極，電子則通過外電路做功后到達(dá)陰極。3）在PEMFC陰極，質(zhì)子（H+）、電子（e-）與通過流場(chǎng)傳輸至陰極氧氣反應(yīng)生成水。陰、陽極反應(yīng)式與電池總反應(yīng)式如下：??3、我國(guó)燃料電池的發(fā)展概況氫燃料電池汽車，是我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)一條重要的技術(shù)路線，是新能源汽車“三駕馬車”之一。但是由于過去一段時(shí)間產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)主要集中于純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車上，導(dǎo)致氫燃電池汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程比純電動(dòng)汽車慢了10年。在“蟄伏”了將近10年后，氫燃料電池汽車終于走到了臺(tái)前。近兩年，國(guó)內(nèi)對(duì)氫能和燃料電池汽車的關(guān)注度得到前所未有的提高，從2018年初國(guó)家能源投資集團(tuán)牽頭，國(guó)家電網(wǎng)公司等多家央企參與的中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的成立，到今年氫能首度被寫入政府工作報(bào)告中。從地方政府到中央政府，對(duì)氫能和燃料電池汽車發(fā)展的重視程度已經(jīng)被提到重要位置。4、燃料電池的虛擬實(shí)驗(yàn)Moolsnet團(tuán)隊(duì)和大連理工大學(xué)毛慶老師團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研制了“質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的原位測(cè)定”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是“PEMFC陰極氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的原位測(cè)定”綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，是在“新工科”建設(shè)背景下，大連理工大學(xué)進(jìn)行電化學(xué)工程專業(yè)方向?qū)嶒?yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)將“電化學(xué)原理”課程中Butler-Volmer方程的簡(jiǎn)化、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，電化學(xué)熱力學(xué)中平衡電極電位的確定，欠電勢(shì)沉積技術(shù)，“循環(huán)伏安”、“交流阻抗”等電化學(xué)分析技術(shù)囊括在一個(gè)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中，在電化學(xué)工程方向的實(shí)踐教學(xué)中具有典型的示范意義。
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