【摘要】：被動進(jìn)氣式直接甲醇燃料電池具有清潔高效、能量密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是傳統(tǒng)便攜式電源的理想替代電源之一。但是,由于被動進(jìn)氣式甲醇燃料電池存在透醇嚴(yán)重、陽極供水不足等問題,阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。對電池進(jìn)行合理的醇水管理,是提高電池功率密度和保證電池穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。這就需要對電池中的醇水傳輸和產(chǎn)電特性有深入的認(rèn)識,獲得關(guān)鍵因素的影響規(guī)律,為實(shí)施合理的醇水管理方案提供理論基礎(chǔ)。被動進(jìn)氣式直接甲醇燃料電池內(nèi)部涉及復(fù)雜多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的醇水傳輸,并與電化學(xué)反應(yīng)相耦合。特別是這類型電池中的物質(zhì)傳輸與傳統(tǒng)的稀甲醇燃料電池不同,例如陽極燃料供應(yīng)采用儲液供氣的方式實(shí)現(xiàn)高濃度運(yùn)行,并且陽極反應(yīng)用水部分或全部需要由陰極返水補(bǔ)充。因此,電池內(nèi)部的傳質(zhì)至關(guān)重要。但實(shí)驗(yàn)方法難以觀察電池內(nèi)部傳質(zhì)過程及相關(guān)參數(shù)影響規(guī)律,數(shù)值模擬成為研究電池傳質(zhì)和產(chǎn)電特性、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇合理運(yùn)行工況的重要手段。而已有針對被動進(jìn)氣式直接甲醇燃料電池的數(shù)值模擬工作在高濃度甲醇運(yùn)行時(shí)往往沒有考慮陽極側(cè)自身供應(yīng)的水的傳輸,且忽視了無論是高濃度甲醇還是純甲醇運(yùn)行時(shí)各影響因素之間的關(guān)聯(lián)性。為此,本文數(shù)值模擬研究了被動進(jìn)氣式直接甲醇燃料電池傳質(zhì)特性及其對電池性能的影響規(guī)律,同時(shí)考慮了陰陽兩極的醇水傳輸和多參數(shù)變化對電池傳質(zhì)特性和產(chǎn)電特性的影響。主要得到以下結(jié)論:(1)建立了二維兩相(氣相和溶解相)被動進(jìn)氣式直接甲醇燃料電池傳質(zhì)理論模型。在高濃度甲醇條件下,模型考慮了蒸發(fā)滲透膜同時(shí)向陽極供應(yīng)甲醇蒸氣和水蒸氣這一實(shí)際物理過程,從而能夠更加準(zhǔn)確的描述甲醇和水在這類型電池中的傳輸。(2)研究發(fā)現(xiàn)在被動進(jìn)氣式高濃度直接甲醇燃料電池中,甲醇濃度、開孔率和環(huán)境相對濕度是影響物質(zhì)傳輸和電池性能的關(guān)鍵因素,甲醇濃度提高和開孔率、相對濕度增大都會使電池在高電流密度條件下工作時(shí)性能提升。改變甲醇濃度和改變開孔率對電池中的物質(zhì)傳輸尤其是水的傳輸會產(chǎn)生不同的影響。不同的甲醇濃度和開孔率組合使電池的最大功率密度不同,并且燃料利用率也不同。甲醇濃度相對較低的電池如果采用較大的開孔率,其電池性能夠超越濃度相對較高而采用較小開孔率的電池。在不同甲醇濃度條件下,相對濕度提高使電池缺水狀況得到改善,從而使電池性能提升;隨著相對濕度的提升,甲醇濃度變化對電池性能的影響增大。(3)在被動進(jìn)氣式純甲醇燃料電池中,電池陽極反應(yīng)所需的水幾乎都來自陰極返水;甲醇傳輸主要受陽極結(jié)構(gòu)控制,氣體傳輸層對降低陽極催化層甲醇濃度作用顯著。環(huán)境相對濕度提高會使膜的含水量水平提升,使陽極過電位和歐姆損失都降低,電池性能提升。電池運(yùn)行溫度升高會使電池性能先升高后降低,說明電池溫度并不是越高越好。(4)在被動進(jìn)氣式純甲醇燃料電池中,開孔率增大有利于電池性能提升,但同時(shí)也會加劇透醇使燃料利用率降低。在不同開孔率條件下,質(zhì)子交換膜膜厚變薄有利于減小水的跨膜傳輸阻力,提高膜的含水量,同時(shí)對甲醇跨膜傳輸幾乎沒有影響,所以有助于電池性能提升。增加水管理層厚度會增大水從陰極向環(huán)境傳輸?shù)淖枇?使陰極催化層含水量提高,膜內(nèi)和陽極缺水狀況得到改善,電池性能得以提升。因此可以通過調(diào)節(jié)開孔率、減小膜厚、增加水管理層厚度的方式來優(yōu)化電池醇水管理,提升電池性能。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.4
【圖文】：

圖 1.1 直接甲醇燃料電池工作原理[13]Fig. 1.1 Working principle of a direct methanol fuel cell[13]接甲醇燃料電池的電極反應(yīng)方程式如下：極側(cè)的反應(yīng)是甲醇的氧化反應(yīng)，甲醇和水反應(yīng)生成二氧化碳、質(zhì)子和電子+ → + 6 + 6 (1極側(cè)的反應(yīng)包括兩個(gè)，一個(gè)反應(yīng)是實(shí)際的電化學(xué)反應(yīng)，氧氣和電子及質(zhì)子水：1.5 + 6 + 6 → 3 (1極另一個(gè)反應(yīng)是寄生反應(yīng)，是從陽極滲透到陰極的甲醇和陰極的氧氣反和二氧化碳：+ 1.5 → + 2 (1池的總反應(yīng)，是甲醇和氧氣反應(yīng)生成水和二氧化碳：+ 1.5 → + 2 (1池陽極甲醇氧化的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為 0.046V，氧氣還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位

圖 1.2 極化特性曲線圖Fig. 1.2 Diagram of polarization curve醇燃料電池的極化包括透醇造成的極化、活化極化、歐姆極透醇造成的極化是因?yàn)楣⿷?yīng)到陽極的甲醇并沒有在陽極參加于電能輸出，而是直接透過質(zhì)子交換膜傳輸?shù)疥帢O，在陰極混合電位，降低電池性能。通常情況下，透醇造成的混合電而降低。可以通過減少透醇來降低這種極化，提高電池性能 中，小電流密度區(qū)域?qū)?yīng)的曲線部分，主要為活化極化控制一樣，物質(zhì)必須要克服活化能的能壘，電化學(xué)反應(yīng)才能進(jìn)行身具有的反應(yīng)阻力。當(dāng)活化極化產(chǎn)生時(shí)，電極反應(yīng)規(guī)律取決學(xué)，通常用 Butler-Volmer 方程或 Tafel 方程進(jìn)行描述，如下lmer 方程： 0( ) [exp( ) exp( )]refC F Fj jC RT RT

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)會議論文 前1條

1 余沛亮;;我國燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀概述[A];中國電池行業(yè)二十年發(fā)展歷程[C];2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 鄧慧超;被動式微型直接甲醇燃料電池陰極水管理的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 葉丁丁;空氣自呼吸式直接甲醇燃料電池兩相流動及傳輸特性[D];重慶大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王美芳;直接甲醇燃料電池單電池?cái)?shù)值模擬[D];山東大學(xué);2006年

本文編號：2731660