燃料电池阴极电化学反应及传递过程模型化

摘要

燃料电池已经成为未来最有希望的动力来源之一.它是一种将化学反应自由能通过电极反应直接转化为电能的电化学装置.燃料电池技术适用于诸如固定能源供给和运输工具等许多技术领域.为了优化和改进燃料电池的设计,必须进行许多重复的实验研究,这需要花费大量的时间和金钱.因此一些研究人员使用数学和计算机工具对燃料电池进行模型化研究,揭示当前电池设计的局限性,并确定需要改进的部分.介绍了燃料电池的分类以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理和研究现状,并对直接甲醇燃料电池(DMFC)中有关电化学的应及传递过程的数学模型进行了比较和分析,描述了适用于DMFC的膜材料以及仪器分析技术的最新进展,认为直接甲醇燃料电池是目前较理想的燃料电池,有着广阔的发展前景.薄膜浸渍聚集体(TFFA)模型假定由气体扩散层和反应层构成的氧气扩散电极在反应层中是一种二次构造形式的多孔结构.该文将TFFA模型应用于碱性燃料电池(AFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极,推导出阴极各种传递和反应过程的描述方程,包括氧气在气体扩散层和反应层气体通道中的扩散,氧气在反应层薄膜中的溶解和扩散,氧在反应层浸渍聚集体中的反应和扩散以及电子和离子的传导,并给出方程的数值解法.该文运用TFFA模型分别考察了AFC阴极过电位-电流密度的曲线和PEMFC阴极伏安曲线受阴极结构参数变化的影响程度.在对AFC阴极的研究中着重考虑了以下几个参数:反应层的孔隙率,浸渍聚集体薄膜的厚度,浸渍聚集体的半径,浸渍聚集体在反应层中的体积分数.模型结果表明对于电极性能而言,气体扩散层的孔隙率与平均孔径以及反应层气体通道的半径,相对其他参数来说显得不太重要.在对PEMFC阴极的研究中,除了以上参数以外还考虑了反应层厚度,Nafion<'R>电解质的离子传导率以及反应层中碳相传导率对电极性能的影响.研究结果表明气体扩散层孔隙率,反应层气体通道的半径以及碳相中电子传导率等参数的变化对电极性能影响不大.该文还推导出了气相进料的DMFC阳极多孔扩散层模型,模型详细描述了甲醇,水以及二氧化碳在扩散层中的传递和反应,使用该模型可以确定各种物质在阳极多孔扩散层中浓度的变化,并可由此确定气体扩散层/催化剂层边界处反应物质的浓度.甲醇由电池阳极向阴极的渗漏已成为阻碍DMFC发展的一大障碍.为了解决这一问题,研究人员试图开发一种新型的膜材料,这种膜必须对甲醇透过有着很好的阻抑性.这也要求研究人员必须提出简单的方法以检测新材料的甲醇传递性.最后该文通过不同压力下DMFC开路电位(OCV)的测量结果提出一简单模型,用此模型可以方便的估算出DMFC中膜的甲醇扩散系数.

目录

文摘

英文文摘

第1章文献综述

1.1燃料电池简介

1.1.1燃料电池的分类

1.2质子交换膜燃料电池

1.2.1 PEMFC技术的发展史

1.2.2 PEMFC的基本构造

1.3直接甲醇燃料电池研究现状

1.3.1 DMFC的分类

1.3.2 DMFC单电池的结构和反应机理

1.3.3 DMFC模型研究

1.3.4 DMFC中所用电解质膜材料的研究

1.3.5用于DMFC的测试方法

1.4本研究的目的

参考文献

第2章AFC阴极电化学反应和传递过程的模型化

2.1碱性燃料电池(AFC)简介

2.2薄膜浸渍聚集体(TFFA)模型

2.3 TFFA模型理论

2.3.1基于AFC的TFFA模型的假设

2.3.2 TFFA模型方程描述

2.4 TFFA模型的数值计算

2.5 TFFA模型参数估计

2.6结果与讨论

2.7结论

图

参考文献

第3章PEMFC阴极电化学反应和传递过程的模型化

3.1 PEMFC阴极基本构造及TFFA模型假设

3.2基于PEMFC的TFFA模型描述

3.2.1氧气在NafionR电解质薄膜的扩散和浸渍聚集体中的扩散和反应

3.2.2电子和离子传导

3.3 TFFA模型的数值计算

3.4 TFFA模型参数的确定

3.5结果与讨论

3.6结论

图

参考文献

第4章气相进料的DMFC阳极扩散层模型

4.1模型方程描述

4.1.1 Nz(kab)值的求解

4.2结果与讨论

4.3结论

图

参考文献

第5章DMFC中电解质膜甲醇扩散系数的估计

5.1模型方程描述

5.2模型参数估计

5.3结果与讨论

5.4结论

图

参考文献

第6章结论

致谢

附录1：Matlab计算程序

附录2：攻读硕士学位期间发表论文情况