直接甲醇液流燃料電池的模擬與仿真.pdf

1、直接甲醇燃料電池（DMFC）的陰極水淹問題，甲醇滲透問題，以及貴金屬催化劑的成本問題，是 DMFC商業(yè)化的主要障礙。直接甲醇液流燃料電池（DMRFC）是采用液流電池陰極替代傳統(tǒng)直接甲醇燃料電池（DMFC）陰極的一種新型燃料電池。由于DMRFC陰極使用Fe3+/Fe2+氧化還原電對，不使用貴金屬催化劑，降低了電池成本，陽極和陰極都為液體進(jìn)料，避免了陰極水淹和甲醇滲透氧化等問題。
　　目前通過實(shí)驗(yàn)手段來獲得DMRFC內(nèi)部的物理化學(xué)過程

2、，如工作溫度分布、壓強(qiáng)分布、物質(zhì)濃度分布、電流密度分布等比較困難，而且代價(jià)昂貴，實(shí)驗(yàn)周期較長。采用模擬仿真方法成本低，時(shí)間短，可以依據(jù)不同的實(shí)際需要改變運(yùn)行條件，來獲得完整的模擬數(shù)據(jù)。通過對DMRFC的模擬，可以加深對燃料電池內(nèi)部工作機(jī)理的認(rèn)識，從而根據(jù)實(shí)際的需求來優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)和確定電池的最佳工作條件,具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文以DMRFC單電池為研究對象，依據(jù)有限元方法，使用COMSOL模擬仿真軟件，分別建立了DMRFC的

3、二維單相模型和二維兩相模型。模型考慮了流體流動，物質(zhì)傳輸，電荷傳輸和電化學(xué)反應(yīng)等過程，模擬區(qū)域包括陽極流道，陽極擴(kuò)散層，陽極催化層，質(zhì)子交換膜和陰極電極。
　　DMRFC二維單相模型中，忽略陽極產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的影響，考慮甲醇和水通過質(zhì)子交換膜的滲透，通過耦合電荷守恒方程，質(zhì)量守恒方程，物種守恒方程和動量守恒方程，研究了不同操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對電池性能的影響。研究結(jié)果表明電池運(yùn)行溫度，甲醇和Fe3+濃度，陰極電極厚度對電池性能影響

4、很大。隨著陰極電極厚度的減小，電池運(yùn)行溫度的升高，電池的性能將顯著增加；當(dāng)甲醇濃度從2M升高到16.7M時(shí)，電池性能不斷提高，當(dāng)甲醇濃度繼續(xù)提高時(shí)，電池性能開始降低；提高陽極流量不影響電池性能；提高陰極流量和Fe3+濃度將有利于提高電池性能。在DMRFC二維單相模型基礎(chǔ)上，通過考慮陽極產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的影響，建立了DMRFC二維兩相模型，研究了二氧化碳?xì)怏w濃度和壓強(qiáng)在電池內(nèi)部的分布。研究結(jié)果表明二氧化碳濃度沿陽極流道方向不斷增加；二氧化