液體進(jìn)料的直接甲醇燃料電池二維流動(dòng)和傳質(zhì)模型.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)是將甲醇直接注入燃料電池內(nèi)進(jìn)行催化電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池。與其它類型燃料電池相比，具有啟動(dòng)時(shí)間短、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料補(bǔ)充方便、能量密度高、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，特別適合于移動(dòng)式或便攜式電源。通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得電池內(nèi)部的溫度、壓力、物質(zhì)濃度及電流密度的詳細(xì)分布比較困難，而且費(fèi)用很高。因此，對(duì)DMFC內(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)值模擬研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義；通過(guò)模擬優(yōu)化DMFC的研究和設(shè)計(jì)，具有重要的學(xué)術(shù)意義。 本文采

2、用Darcy定律描述多孔介質(zhì)與非多孔介質(zhì)區(qū)域的動(dòng)量守恒，分別對(duì)平行流道的直接甲醇燃料電池的陽(yáng)極、甲醇滲透和陰極進(jìn)行了多工況的數(shù)值模擬研究。給出了電池內(nèi)的電流密度分布，為電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、操作條件的篩選提供指導(dǎo)，為DMFC的深入研究奠定基礎(chǔ)。 首先，針對(duì)平行流道DMFC的陽(yáng)極，建立了二維的、穩(wěn)態(tài)的、多組分傳輸模型，用于研究電極內(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程。得到了電極內(nèi)的速度、壓力、濃度、電流密度的詳細(xì)分布。討論了操作條件變化對(duì)電池性能的影響。

3、結(jié)果表明：(1)陽(yáng)極甲醇溶液速度近似呈拋物線分布，最大速度值偏向于流道與擴(kuò)散層的交界面；(2)沿著流道方向壓力呈線性下降：(3)流道里甲醇濃度分布不均勻；(4)隨著入口速度的增加，甲醇的濃度梯度變大；(5)隨著入口速度的增加，局部電流密度不斷增大，但是當(dāng)入口速度為0.9 m/s的時(shí)候局部電流密度反而下降了，對(duì)于特定的直接甲醇燃料電池，入口速度有最佳值；(6)隨著入口甲醇濃度的增加，開(kāi)始電池性能是提高的，但是達(dá)到某一定值后，隨著入口濃度的

4、增加，電池性能提高不大， 其次，本文對(duì)甲醇竄流進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1)隨著甲醇在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)的增大，甲醇竄流呈下降趨勢(shì)；(2)隨著平均電流密度的增加，甲醇竄流增大。(3)隨著膜厚度的增加，甲醇竄流增加；(4)隨著膜孔隙率的增加，甲醇竄流減小；(5)在低電流密度，甲醇滲透對(duì)電池性能影響不大，到高電流密度的時(shí)候，對(duì)電池性能的影響較大。 針對(duì)DMFC的陰極，建立了二維穩(wěn)態(tài)的多組分傳輸模型，用于研究電池內(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程。

5、討論了進(jìn)口速度等對(duì)質(zhì)量傳輸?shù)挠绊?，并?duì)電池性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1)氧氣摩爾分?jǐn)?shù)在流道里沿著流道方向是不斷下降的，而在陰極擴(kuò)散層和催化層，順著流道方向上氧氣摩爾分?jǐn)?shù)的變化不大；(2)混合氣體入口速度越小，氧氣反應(yīng)越充分；(3)水摩爾分?jǐn)?shù)沿著流道方向在催化層變化不大；(4)氧氣速度沿著流道方向變化不大，只在入口和出口有些波動(dòng)；(5)氧氣最大速度在流道的主流區(qū)域，在靠近流道壁面和流道-擴(kuò)散層區(qū)域的速度比較小，流道的速度矢量是偏向擴(kuò)散層