燃料電池陰極電化學(xué)反應(yīng)及傳遞過(guò)程模型化.pdf

1、燃料電池已經(jīng)成為未來(lái)最有希望的動(dòng)力來(lái)源之一.它是一種將化學(xué)反應(yīng)自由能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置.燃料電池技術(shù)適用于諸如固定能源供給和運(yùn)輸工具等許多技術(shù)領(lǐng)域.為了優(yōu)化和改進(jìn)燃料電池的設(shè)計(jì),必須進(jìn)行許多重復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究,這需要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián).因此一些研究人員使用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)工具對(duì)燃料電池進(jìn)行模型化研究,揭示當(dāng)前電池設(shè)計(jì)的局限性,并確定需要改進(jìn)的部分.介紹了燃料電池的分類(lèi)以及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的工作原理和研究現(xiàn)狀

2、,并對(duì)直接甲醇燃料電池(DMFC)中有關(guān)電化學(xué)的應(yīng)及傳遞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了比較和分析,描述了適用于DMFC的膜材料以及儀器分析技術(shù)的最新進(jìn)展,認(rèn)為直接甲醇燃料電池是目前較理想的燃料電池,有著廣闊的發(fā)展前景.薄膜浸漬聚集體(TFFA)模型假定由氣體擴(kuò)散層和反應(yīng)層構(gòu)成的氧氣擴(kuò)散電極在反應(yīng)層中是一種二次構(gòu)造形式的多孔結(jié)構(gòu).該文將TFFA模型應(yīng)用于堿性燃料電池(AFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極,推導(dǎo)出陰極各種傳遞和反應(yīng)過(guò)程的描述

3、方程,包括氧氣在氣體擴(kuò)散層和反應(yīng)層氣體通道中的擴(kuò)散,氧氣在反應(yīng)層薄膜中的溶解和擴(kuò)散,氧在反應(yīng)層浸漬聚集體中的反應(yīng)和擴(kuò)散以及電子和離子的傳導(dǎo),并給出方程的數(shù)值解法.該文運(yùn)用TFFA模型分別考察了AFC陰極過(guò)電位-電流密度的曲線(xiàn)和PEMFC陰極伏安曲線(xiàn)受陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響程度.在對(duì)AFC陰極的研究中著重考慮了以下幾個(gè)參數(shù):反應(yīng)層的孔隙率,浸漬聚集體薄膜的厚度,浸漬聚集體的半徑,浸漬聚集體在反應(yīng)層中的體積分?jǐn)?shù).模型結(jié)果表明對(duì)于電極性能而言

4、,氣體擴(kuò)散層的孔隙率與平均孔徑以及反應(yīng)層氣體通道的半徑,相對(duì)其他參數(shù)來(lái)說(shuō)顯得不太重要.在對(duì)PEMFC陰極的研究中,除了以上參數(shù)以外還考慮了反應(yīng)層厚度,Nafion<'R>電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)率以及反應(yīng)層中碳相傳導(dǎo)率對(duì)電極性能的影響.研究結(jié)果表明氣體擴(kuò)散層孔隙率,反應(yīng)層氣體通道的半徑以及碳相中電子傳導(dǎo)率等參數(shù)的變化對(duì)電極性能影響不大.該文還推導(dǎo)出了氣相進(jìn)料的DMFC陽(yáng)極多孔擴(kuò)散層模型,模型詳細(xì)描述了甲醇,水以及二氧化碳在擴(kuò)散層中的傳遞和反應(yīng),

5、使用該模型可以確定各種物質(zhì)在陽(yáng)極多孔擴(kuò)散層中濃度的變化,并可由此確定氣體擴(kuò)散層/催化劑層邊界處反應(yīng)物質(zhì)的濃度.甲醇由電池陽(yáng)極向陰極的滲漏已成為阻礙DMFC發(fā)展的一大障礙.為了解決這一問(wèn)題,研究人員試圖開(kāi)發(fā)一種新型的膜材料,這種膜必須對(duì)甲醇透過(guò)有著很好的阻抑性.這也要求研究人員必須提出簡(jiǎn)單的方法以檢測(cè)新材料的甲醇傳遞性.最后該文通過(guò)不同壓力下DMFC開(kāi)路電位(OCV)的測(cè)量結(jié)果提出一簡(jiǎn)單模型,用此模型可以方便的估算出DMFC中膜的甲醇擴(kuò)散