液体进料的直接甲醇燃料电池二维流动和传质模型

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)是将甲醇直接注入燃料电池内进行催化电化学反应发电的电池。与其它类型燃料电池相比，具有启动时间短、系统结构简单、燃料补充方便、能量密度高、运行可靠等特点，特别适合于移动式或便携式电源。通过实验手段获得电池内部的温度、压力、物质浓度及电流密度的详细分布比较困难，而且费用很高。因此，对DMFC内的流动和传质过程的数值模拟研究，具有重要的现实意义；通过模拟优化DMFC的研究和设计，具有重要的学术意义。 本文采用Darcy定律描述多孔介质与非多孔介质区域的动量守恒，分别对平行流道的直接甲醇燃料电池的阳极、甲醇渗透和阴极进行了多工况的数值模拟研究。给出了电池内的电流密度分布，为电极结构的优化、操作条件的筛选提供指导，为DMFC的深入研究奠定基础。 首先，针对平行流道DMFC的阳极，建立了二维的、稳态的、多组分传输模型，用于研究电极内的流动和传质过程。得到了电极内的速度、压力、浓度、电流密度的详细分布。讨论了操作条件变化对电池性能的影响。结果表明：(1)阳极甲醇溶液速度近似呈抛物线分布，最大速度值偏向于流道与扩散层的交界面；(2)沿着流道方向压力呈线性下降：(3)流道里甲醇浓度分布不均匀；(4)随着入口速度的增加，甲醇的浓度梯度变大；(5)随着入口速度的增加，局部电流密度不断增大，但是当入口速度为0.9 m/s的时候局部电流密度反而下降了，对于特定的直接甲醇燃料电池，入口速度有最佳值；(6)随着入口甲醇浓度的增加，开始电池性能是提高的，但是达到某一定值后，随着入口浓度的增加，电池性能提高不大， 其次，本文对甲醇窜流进行了研究。结果表明：(1)随着甲醇在膜内的扩散系数的增大，甲醇窜流呈下降趋势；(2)随着平均电流密度的增加，甲醇窜流增大。(3)随着膜厚度的增加，甲醇窜流增加；(4)随着膜孔隙率的增加，甲醇窜流减小；(5)在低电流密度，甲醇渗透对电池性能影响不大，到高电流密度的时候，对电池性能的影响较大。 针对DMFC的阴极，建立了二维稳态的多组分传输模型，用于研究电池内的流动和传质过程。讨论了进口速度等对质量传输的影响，并对电池性能进行了研究。结果表明：(1)氧气摩尔分数在流道里沿着流道方向是不断下降的，而在阴极扩散层和催化层，顺着流道方向上氧气摩尔分数的变化不大；(2)混合气体入口速度越小，氧气反应越充分；(3)水摩尔分数沿着流道方向在催化层变化不大；(4)氧气速度沿着流道方向变化不大，只在入口和出口有些波动；(5)氧气最大速度在流道的主流区域，在靠近流道壁面和流道-扩散层区域的速度比较小，流道的速度矢量是偏向扩散层的；(6)平均电流密度对阴极过电势的影响不是很大；(7)随着温度的增加，直接甲醇燃料电池的性能越好；(8)随着扩散层孔隙率的增加，电池性能得到了提高，但不宜过大，0.4时为最佳。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

1绪论

1.1燃料电池分类

1.2直接甲醇燃料电池

1.2.1基本结构

1.2.2直接甲醇燃料电池的极化

1.2.3直接甲醇燃料电池的关键元件

1.2.4直接甲醇燃料电池性能影响因素

1.2.5直接甲醇燃料电池产品研制

1.3直接甲醇燃料电池模型

1.3.1模型分类和描述

1.3.2 DMFC模型研究存在的问题

1.4本课题的意义及主要工作

1.4.1本课题的意义

1.4.2本课题的主要工作

2直接甲醇燃料电池阳极的传输现象

2.1物理模型

2.2模型假设

2.3模型方程

2.4边界条件

2.5模型求解方法

2.6结果与讨论

2.7本章小结

3甲醇的渗透

3.1甲醇渗透方程

3.2求解方法

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4直接甲醇燃料电池阴极矩形流道内的传输现象和电池性能

4.1物理模型

4.2模型假设

4.3模型方程

4.4边界条件

4.5模型求解方法

4.6结果与讨论

4.7本章小结

5结论

5.1结论

5.2进一步工作

致谢

参考文献

附录