被动进气式直接甲醇燃料电池传质特性数值模拟研究

发布时间：2020-06-27 09:41

【摘要】：被动进气式直接甲醇燃料电池具有清洁高效、能量密度高、结构紧凑、便于携带等优点,被认为是传统便携式电源的理想替代电源之一。但是,由于被动进气式甲醇燃料电池存在透醇严重、阳极供水不足等问题,阻碍了其商业化应用。对电池进行合理的醇水管理,是提高电池功率密度和保证电池稳定运行的关键。这就需要对电池中的醇水传输和产电特性有深入的认识,获得关键因素的影响规律,为实施合理的醇水管理方案提供理论基础。被动进气式直接甲醇燃料电池内部涉及复杂多孔毛细结构中的醇水传输,并与电化学反应相耦合。特别是这类型电池中的物质传输与传统的稀甲醇燃料电池不同,例如阳极燃料供应采用储液供气的方式实现高浓度运行,并且阳极反应用水部分或全部需要由阴极返水补充。因此,电池内部的传质至关重要。但实验方法难以观察电池内部传质过程及相关参数影响规律,数值模拟成为研究电池传质和产电特性、优化电池结构设计、选择合理运行工况的重要手段。而已有针对被动进气式直接甲醇燃料电池的数值模拟工作在高浓度甲醇运行时往往没有考虑阳极侧自身供应的水的传输,且忽视了无论是高浓度甲醇还是纯甲醇运行时各影响因素之间的关联性。为此,本文数值模拟研究了被动进气式直接甲醇燃料电池传质特性及其对电池性能的影响规律,同时考虑了阴阳两极的醇水传输和多参数变化对电池传质特性和产电特性的影响。主要得到以下结论:(1)建立了二维两相(气相和溶解相)被动进气式直接甲醇燃料电池传质理论模型。在高浓度甲醇条件下,模型考虑了蒸发渗透膜同时向阳极供应甲醇蒸气和水蒸气这一实际物理过程,从而能够更加准确的描述甲醇和水在这类型电池中的传输。(2)研究发现在被动进气式高浓度直接甲醇燃料电池中,甲醇浓度、开孔率和环境相对湿度是影响物质传输和电池性能的关键因素,甲醇浓度提高和开孔率、相对湿度增大都会使电池在高电流密度条件下工作时性能提升。改变甲醇浓度和改变开孔率对电池中的物质传输尤其是水的传输会产生不同的影响。不同的甲醇浓度和开孔率组合使电池的最大功率密度不同,并且燃料利用率也不同。甲醇浓度相对较低的电池如果采用较大的开孔率,其电池性能够超越浓度相对较高而采用较小开孔率的电池。在不同甲醇浓度条件下,相对湿度提高使电池缺水状况得到改善,从而使电池性能提升;随着相对湿度的提升,甲醇浓度变化对电池性能的影响增大。(3)在被动进气式纯甲醇燃料电池中,电池阳极反应所需的水几乎都来自阴极返水;甲醇传输主要受阳极结构控制,气体传输层对降低阳极催化层甲醇浓度作用显著。环境相对湿度提高会使膜的含水量水平提升,使阳极过电位和欧姆损失都降低,电池性能提升。电池运行温度升高会使电池性能先升高后降低,说明电池温度并不是越高越好。(4)在被动进气式纯甲醇燃料电池中,开孔率增大有利于电池性能提升,但同时也会加剧透醇使燃料利用率降低。在不同开孔率条件下,质子交换膜膜厚变薄有利于减小水的跨膜传输阻力,提高膜的含水量,同时对甲醇跨膜传输几乎没有影响,所以有助于电池性能提升。增加水管理层厚度会增大水从阴极向环境传输的阻力,使阴极催化层含水量提高,膜内和阳极缺水状况得到改善,电池性能得以提升。因此可以通过调节开孔率、减小膜厚、增加水管理层厚度的方式来优化电池醇水管理,提升电池性能。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4
【图文】：

直接甲醇燃料电池,工作原理

图 1.1 直接甲醇燃料电池工作原理[13]Fig. 1.1 Working principle of a direct methanol fuel cell[13]接甲醇燃料电池的电极反应方程式如下：极侧的反应是甲醇的氧化反应，甲醇和水反应生成二氧化碳、质子和电子+ → + 6 + 6 (1极侧的反应包括两个，一个反应是实际的电化学反应，氧气和电子及质子水：1.5 + 6 + 6 → 3 (1极另一个反应是寄生反应，是从阳极渗透到阴极的甲醇和阴极的氧气反和二氧化碳：+ 1.5 → + 2 (1池的总反应，是甲醇和氧气反应生成水和二氧化碳：+ 1.5 → + 2 (1池阳极甲醇氧化的标准电极电位为 0.046V，氧气还原反应的标准电位

曲线图,极化特性,曲线图,活化极化

图 1.2 极化特性曲线图Fig. 1.2 Diagram of polarization curve醇燃料电池的极化包括透醇造成的极化、活化极化、欧姆极透醇造成的极化是因为供应到阳极的甲醇并没有在阳极参加于电能输出，而是直接透过质子交换膜传输到阴极，在阴极混合电位，降低电池性能。通常情况下，透醇造成的混合电而降低。可以通过减少透醇来降低这种极化，提高电池性能中，小电流密度区域对应的曲线部分，主要为活化极化控制一样，物质必须要克服活化能的能垒，电化学反应才能进行身具有的反应阻力。当活化极化产生时，电极反应规律取决学，通常用 Butler-Volmer 方程或 Tafel 方程进行描述，如下lmer 方程： 0( ) [exp( ) exp( )]refC F Fj jC RT RT

【参考文献】