液體進料的直接甲醇燃料電池二維流動和傳質模型.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)是將甲醇直接注入燃料電池內進行催化電化學反應發(fā)電的電池。與其它類型燃料電池相比，具有啟動時間短、系統(tǒng)結構簡單、燃料補充方便、能量密度高、運行可靠等特點，特別適合于移動式或便攜式電源。通過實驗手段獲得電池內部的溫度、壓力、物質濃度及電流密度的詳細分布比較困難，而且費用很高。因此，對DMFC內的流動和傳質過程的數(shù)值模擬研究，具有重要的現(xiàn)實意義；通過模擬優(yōu)化DMFC的研究和設計，具有重要的學術意義。 本文采

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

3、結果表明：(1)陽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，但是當入口速度為0.9 m/s的時候局部電流密度反而下降了，對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，開始電池性能是提高的，但是達到某一定值后，隨著入口濃度的

4、增加，電池性能提高不大， 其次，本文對甲醇竄流進行了研究。結果表明：(1)隨著甲醇在膜內的擴散系數(shù)的增大，甲醇竄流呈下降趨勢；(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?。?5)在低電流密度，甲醇滲透對電池性能影響不大，到高電流密度的時候，對電池性能的影響較大。 針對DMFC的陰極，建立了二維穩(wěn)態(tài)的多組分傳輸模型，用于研究電池內的流動和傳質過程。

5、討論了進口速度等對質量傳輸?shù)挠绊?，并對電池性能進行了研究。結果表明：(1)氧氣摩爾分數(shù)在流道里沿著流道方向是不斷下降的，而在陰極擴散層和催化層，順著流道方向上氧氣摩爾分數(shù)的變化不大；(2)混合氣體入口速度越小，氧氣反應越充分；(3)水摩爾分數(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；(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-擴散層區(qū)域的速度比較小，流道的速度矢量是偏向擴散層