直接甲醇燃料電池的一維數(shù)學(xué)模型.pdf

1、直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)以其高效、高能量密度、低排放和燃料儲(chǔ)運(yùn)及補(bǔ)充方便等特點(diǎn)被認(rèn)為是一種適應(yīng)未來能源和環(huán)境要求的理想電源.液體進(jìn)料.DMFC更因?yàn)槠湓趯?shí)用上具有很大的方便之處,而為人們所關(guān)注.目前,DMFC走向商業(yè)化的所面臨的兩大技術(shù)挑戰(zhàn)為陽極甲醇氧化動(dòng)力學(xué)緩慢和甲醇通過質(zhì)子交換膜滲透到陰極.為了更深入地理解發(fā)生在液體進(jìn)料DMFC中的物理化學(xué)現(xiàn)象和限制DMFC性能的各因素,本文建

2、立了沿著質(zhì)子交換膜厚度方向的一維穩(wěn)態(tài)模型數(shù)學(xué)模型.模型中陽極催化層和陰極催化層都將采用球狀團(tuán)聚體模型.在陽極催化層和陰極催化層內(nèi)發(fā)生的甲醇氧化反應(yīng)均采用多步驟甲醇反應(yīng)機(jī)理來描述.通過考慮甲醇穿透對(duì)陰極氧氣反應(yīng)的影響來修正并行反應(yīng)假設(shè),詳細(xì)研究甲醇在陰極催化層的反應(yīng)和甲醇在陰極的傳質(zhì).采用動(dòng)量守恒方程和液體質(zhì)量守恒方程來描述液體壓力在電池各區(qū)域的變化和由于液體壓力變化引起的液體對(duì)流.本文模擬的結(jié)果包括,電池內(nèi)甲醇濃度分布、氧氣摩爾分率分布

3、、質(zhì)子電流密度分布和過電位分布.模型中還考察了甲醇穿透對(duì)電池性能的影響以及電池操作條件、電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電化學(xué)參數(shù)對(duì)電池性能的影響.本模型模擬得出的結(jié)論是:甲醇和氧氣的傳質(zhì)阻力集中在擴(kuò)散層；甲醇在陰極催化層的濃度下降較慢,而不是在陰極催化層快速發(fā)生反應(yīng)濃度迅速降為零；電池的操作溫度和陰極氧氣進(jìn)料壓力越高,電池性能越好；甲醇進(jìn)料濃度和陽極擴(kuò)散層和催化層的孔隙率對(duì)電池性能影響較大.在電池工作電流密度較小時(shí)甲醇穿透對(duì)電池性能的影響較大,隨著電