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直接甲醇燃料电池单电池数值模拟

王美芳

  直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接以甲醇为燃料的电化学能量转化装置,具有系统简单、比能量高、污染小、燃料便于储运等优点,DMFC是未来理想的移动电源系统之一。在当今能源危机和环境污染日趋严重的情况下,DMFC的深入研究尤为重要。由于人们对电池内部的传质和电化学反应过程对电池性能的影响还缺乏认识,并且进行燃料电池的运行实验代价昂贵,时间较长,所以对直接甲醇燃料电池内部的传质和电化学反应过程进行数值模拟具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以DMFC单电池为研究对象,根据传质、传热等原理建立了单电池的数学模型。模型考虑了流体流动、热量传递、电荷传递等过程。研究的区域包括阳极和阴极的流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的整个单电池。阴极模型描述了直接甲醇燃料电池阴极氧气的传递和电化学反应过程,研究了过电位.电流密度曲线受阴极结构参数变化的影响特性。阳极模型中,描述了甲醇和水在阳极及质子交换膜中的传递过程、反应动力学和欧姆阻抗效应,并讨论了对甲醇扩散和阳极性能影响的主要因素。利用阳极和阴极模型,考虑甲醇渗透对阴极的影响,建立DMFC单电池模型,通过电压-电流密度曲线探讨影响电池性能的主要因素。单电池模型在全面考虑质子交换膜中甲醇的渗透、扩散层中气体扩散的基础上,系统地研究了各种操作条件对电池性能的影响。研究表明催化层厚度,电池运行温度和甲醇浓度对电池性能的影响很大。结果表明催化层较薄时,随着电流密度的增大电池的活化极化会逐步增大。随着催化层厚度的增大电池活化极化会得到改善,电池性能得到提高。随着催化层厚度的进一步增大,传质阻力和欧姆阻抗的增加抵消了对活化极化的作用,电池性能提高缓慢,还可能出现下降,在电池设计过程中应综合考虑来确定催化层厚度。甲醇浓度较低时,随着电流密度的增加,传质过程受到限制,产生浓差极化。提高甲醇浓度能提高阳极催化反应的速度。甲醇浓度的提高,使甲醇渗透作用加剧,导致阴极催化剂性能的恶化,降低电池的性能。在电池运行过程中,要综合……   
[关键词]:直接甲醇燃料电池;数学模型;甲醇渗透
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:山东大学2006年
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