微型直接甲醇燃料电池的性能模拟与分析

论文摘要

直接甲醇燃料电池是直接利用甲醇水溶液作为燃料,氧或空气作为氧化剂的一种燃料电池,其具有低污染、高效率、燃料补充方便且安全性高等优点,适宜成为笔记本电脑、手机等便携式电子产品的小型移动电源供应系统。为了深入理解发生在直接甲醇燃料电池中的物理化学现象和限制其性能的各因素,本文建立了沿着膜电极厚度方向的稳态数学模型进行数值模拟分析,从而确定理想的结构设计和操作条件。本文首先综述了直接甲醇燃料电池数学模型的国内外研究现状,详细阐述了微型直接甲醇燃料电池各组件的工作机理,并建立了相应的模型。其中多组分气相扩散现象是以Maxwell-Stefan方程来描述的;假定模型内的燃料为粘性不可压缩流体,用Navier-Stokes方程来描述其基本传输;质子在多孔材料中的传递现象以Nernst-Plack方程来描述;多孔介质内的流体流动采用修正的Schlogl方程来描述;电池内部电化学反应采用Butler-Volmer方程来描述。本文对直接甲醇燃料电池微流场结构进行仿真分析,为电池极板设计提供了可靠的依据。对直接甲醇燃料电池在不同操作条件下对其性能的影响进行了模拟分析,研究中发现以下性质:工作电流密度较小时,电池操作温度越高性能越差,而工作电流密度较大时,电流操作温度越高性能越好;阴极侧空气进料压力越大其性能越好;甲醇浓度在2molL-1时,输出功率密度最大;催化层和扩散层的孔隙率的大小影响着极限电流密度。最后将理论结果与实验数据进行了比较,进一步验证了模型的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外在该方向的研究现状
• 1.2.1 DMFC模型研究的主要单位及其主要工作
• 1.2.2 DMFC模型的分类及发展特点
• 1.2.3 目前燃料电池仿真的主要软件
• 1.2.4 DMFC研究面临的问题
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 微型直接甲醇燃料电池的基本理论
• 2.1 直接甲醇燃料电池的结构与工作原理
• 2.1.1 直接甲醇燃料电池的结构
• 2.1.2 直接甲醇燃料电池的工作原理
• 2.2 燃料电池的基本理论
• 2.2.1 燃料电池的电动势
• 2.2.2 燃料电池的传输机理
• 2.2.3 燃料电池的极化分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 直接甲醇燃料电池模型的建立
• 3.1 模型介绍
• 3.2 模型的控制方程
• 3.2.1 阳极传质过程
• 3.2.2 阴极传质过程
• 3.2.3 质子交换膜
• 3.2.4 电荷传质
• 3.3 本章小结
• 第4章 模拟结果与讨论
• 4.1 数值模拟的方法
• 4.2 流场流动性能的比较
• 4.3 不同参数对电池性能的影响分析
• 4.3.1 甲醇浓度的影响
• 4.3.2 工作温度的影响
• 4.3.3 操作压强的影响
• 4.3.4 扩散层厚度的影响
• 4.3.5 催化层厚度的影响
• 4.3.6 催化层孔隙率的影响
• 4.3.7 扩散层孔隙率的影响
• 4.4 理论模型与实验结果的比较
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢