微型直接甲醇燃料电池组的建模与分析

摘要

随着微电子技术的飞速发展,便携式电子设备的芯片体积越来越小,但由于无线网络在日常生活中的普及,电子设备的耗电量却与日俱增,因此便携式微小型储能设备成为能源研究领域的研究重点。在众多供能设备中,直接甲醇燃料电池因为具有结构简单易于集成化、燃料来源广泛、产物无污染、启动速度快等优点而成为最有可能实现商业化的可移动能源之一。
　　为了满足用电器的功率需求,直接甲醇燃料电池在应用中往往通过级联的方式而形成电池组。通过建立模型的方式对微型直接甲醇燃料电池组进行研究,可以更深入地了解电池组内部的反应和变化,这不但可以节省结构优化的时间和成本,还可以通过对操作参数的分析选择效率更高的工作环境,因此建模在电池组的研究过程中意义重大。
　　本文通过对直接甲醇燃料电池结构和工作原理的深入研究,利用理化公式描述了电池组内部的物质传输、能量传递和电化学反应等过程,并通过对公式的推导和计算实现了对电池组的等效,建立了电池组的等效电路模型,通过理论模型和实验数据对等效电路模型进行了修正和验证,利用等效电路模型分析了反应物(甲醇和氧气)浓度、工作温度等操作参数对电池组性能的影响。结果表明:增加反应物浓度可以显著提升电池组的性能,但提高甲醇浓度会增大甲醇渗透量,造成燃料的损失;提高工作温度不但可以提升电池组性能,还可以改变催化层上甲醇传质过程从而提升电池的工作效率;燃料浓度不足时,电池组易产生“反极”现象,单节电池的不可逆失效会导致电池组输出性能的大幅下降;封装压力直接决定了电池组接触电阻的大小,而接触电阻的阻值对电池组输出性能有很大影响,因此在电池组的组装过程中应适当增大封装压力。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 被动式直接甲醇燃料电池建模的基本原理

2.1 引言

2.2 被动式直接甲醇燃料电池的基本结构

2.3 被动式直接甲醇燃料电池的工作原理

2.4 本章小结

第3章 电池组等效电路模型的建立

3.1 引言

3.2 模型的结构设计和基本假设

3.3 单节电池的等效电路模型的建立

3.4 电池组等效电路模型的建立

3.5 模型参数的设定

3.6 本章小结

第4章 模型验证与结果讨论

4.1 引言

4.2 模型的修正与验证

4.3 操作参数对电池组性能的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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