“質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氧化還原反應(yīng)動力學(xué)的原位測定”虛擬仿真實驗
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，被認為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，當(dāng)前正在成為各國政府與大公司研究和開發(fā)焦點。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外，同時還具有比功率與比能量高、可室溫快速啟動、無電解液腐蝕與溢漏問題等優(yōu)點。因此，PEMFC在作為電動汽車動力源，移動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)作為交通運輸?shù)膭恿﹄娫丛趯?yīng)對全球氣候變化、實現(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)電動車的商業(yè)化已經(jīng)成熟。2017年，全球各國（地區(qū)/城市）燃油車禁售計劃的提出更是進一步助推了當(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到達陽極，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_陰極，電子則通過外電路做功后到達陰極。3）在PEMFC陰極，質(zhì)子（H+）、電子（e-）與通過流場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、我國燃料電池的發(fā)展概況氫燃料電池汽車，是我國新能源汽車產(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間產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點主要集中于純電動和插電式混合動力汽車上，導(dǎo)致氫燃電池汽車產(chǎn)業(yè)化進程比純電動汽車慢了10年。在“蟄伏”了將近10年后，氫燃料電池汽車終于走到了臺前。近兩年，國內(nèi)對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年初國家能源投資集團牽頭，國家電網(wǎng)公司等多家央企參與的中國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告中。從地方政府到中央政府，對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、燃料電池的虛擬實驗Moolsnet團隊和大連理工大學(xué)毛慶老師團隊聯(lián)合研制了“質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氧還原反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的原位測定”虛擬仿真實驗。該實驗是“PEMFC陰極氧還原反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的原位測定”綜合性教學(xué)實驗的重要組成部分，是在“新工科”建設(shè)背景下，大連理工大學(xué)進行電化學(xué)工程專業(yè)方向?qū)嶒灲虒W(xué)改革的重要內(nèi)容。該實驗將“電化學(xué)原理”課程中Butler-Volmer方程的簡化、動力學(xué)參數(shù)的實驗測定方法，電化學(xué)熱力學(xué)中平衡電極電位的確定，欠電勢沉積技術(shù)，“循環(huán)伏安”、“交流阻抗”等電化學(xué)分析技術(shù)囊括在一個實踐教學(xué)活動中，在電化學(xué)工程方向的實踐教學(xué)中具有典型的示范意義。
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