【摘要】：直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)作為燃料電池中重要的組成部分,具有高的能量密度,燃料易于儲(chǔ)存,產(chǎn)物無污染等多重優(yōu)點(diǎn),使其最有希望成為新型的便攜式能源。特別是被動(dòng)式DMFC減少了輔助設(shè)備熱量的消耗,使設(shè)備簡單化,逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。然而在被動(dòng)式DMFC運(yùn)行中,由于其自發(fā)的供料,電池內(nèi)部傳質(zhì)傳熱無法達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),影響其電池性能,因此對(duì)被動(dòng)式DMFC進(jìn)行數(shù)值模擬研究,不但可以更好地了解物質(zhì)傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律,優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和操作環(huán)境,更節(jié)約的時(shí)間和成本,對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能的被動(dòng)式DMFC有重大的意義。首先本文通過建立瞬態(tài)的多相流被動(dòng)式甲醇燃料電池的模型,研究分析了不同電流密度、電壓、微孔型涂層(micro-porous layer,MPL)和燃料進(jìn)料條件對(duì)燃料電池整個(gè)放電過程(燃料從滿到空的過程)的影響。結(jié)果表明,對(duì)于所有操作環(huán)境來說,在適當(dāng)?shù)碾娏髅芏群碗妷翰僮鳁l件下,能夠有效的限制甲醇滲透的通量保證能量的轉(zhuǎn)化效率。陽極MPL在MPL和氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer,GDL)表面產(chǎn)生足夠的流動(dòng)阻力,減少了甲醇滲透速率,從而提高電池的燃料效率。另外增加燃料罐的體積可以有效的提高電池的能量密度,但是對(duì)燃料效率和能量效率影響較低。其次,考慮到在燃料電池的實(shí)際操作過程中,便攜式DMFC會(huì)在不同的方向進(jìn)行操作。基于瞬態(tài)多相流被動(dòng)式DMFC模型,本文研究豎直和水平的操作方向?qū)﹄姵匦阅艿挠绊�。�?shù)值模擬的結(jié)果表明在低電流的條件下,DMFC在豎直方向操作時(shí),甲醇滲透速率較低,所以其性能要比水平方向操作較好;而高電流時(shí),結(jié)果相反,由于豎直方向操作在陰極會(huì)產(chǎn)生大量的水而無法排出,影響其性能。另外,疏水性微孔層(MPL)對(duì)不同方向的電池操作影響也不同。最后,本文又提出了采用純甲醇蒸汽進(jìn)料的方式,通過增加進(jìn)料濃度極大的提高了電池的性能和壽命。通過建立被動(dòng)式瞬態(tài)的甲醇蒸汽進(jìn)料模型,研究不同工況下質(zhì)量傳輸?shù)默F(xiàn)象,預(yù)蒸發(fā)膜和氣體傳輸涂層(Vapor transport layer,VTL)對(duì)甲醇蒸汽起到生成和傳輸作用。結(jié)果表明增加電流密度、降低蒸發(fā)器的開孔率或者增加膜的厚度能夠有效的減少甲醇滲透速率,提高電池的性能。陰極MPL對(duì)增加水的回流減少水流失有著重要的作用。本文通過優(yōu)化操作條件和電池結(jié)構(gòu),進(jìn)行瞬態(tài)模擬分析,更好的了解物質(zhì)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),對(duì)被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的瞬態(tài)研究提供了良好的理論依據(jù)。
[Abstract]:Direct methanol fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell,DMFC), as an important component of fuel cell, has many advantages, such as high energy density, easy storage of fuel, no pollution and so on, which makes it the most promising portable energy. In particular, passive DMFC reduces the heat consumption of auxiliary equipment, simplifies the device and gradually becomes a research hotspot. However, in the operation of passive DMFC, due to its spontaneous feeding, the internal mass transfer and heat transfer of the battery can not reach the optimal state, which affects the performance of the battery, so the numerical simulation of passive DMFC is carried out. It can not only better understand the law of material transport and electrochemical reaction, optimize the electrode structure and operating environment, save more time and cost, but also have great significance for the realization of high performance passive DMFC. In this paper, the transient multiphase flow passive methanol fuel cell model is established, and the different current density and voltage are studied and analyzed. Effects of microporous coating (micro-porous layer,MPL) and fuel feeding conditions on the whole discharge process of fuel cells (from full to empty). The results show that under the appropriate current density and voltage operating conditions, the flux of methanol permeation can be effectively limited to ensure the energy conversion efficiency for all operating environments. The flow resistance of anode MPL on the surface of MPL and gas diffusion layer (gas diffusion layer,GDL) is sufficient to reduce the methanol permeation rate and thus improve the fuel efficiency of the cell. In addition, increasing the volume of the fuel tank can effectively increase the energy density of the cell, but has little effect on the fuel efficiency and energy efficiency. Second, considering that the portable DMFC operates in different directions during the actual operation of the fuel cell. Based on the passive DMFC model of transient multiphase flow, the effect of vertical and horizontal operating direction on the performance of the battery is studied in this paper. The results of numerical simulation show that under the condition of low current, methanol permeation rate of DMFC is lower in vertical direction, so its performance is better than that in horizontal direction, but at high current, the result is opposite. Due to vertical operation in the cathode will produce a large amount of water and can not be discharged, affecting its performance. In addition, the hydrophobic microporous layer (MPL) has different effects on the operation of the cells in different directions. Finally, the method of pure methanol steam feeding is proposed, which can greatly improve the performance and life of the battery by increasing the feed concentration. A passive transient methanol vapor feed model was established to study the mass transport phenomena under different operating conditions. Pre-evaporation film and gas transfer coating (Vapor transport layer,VTL) were used to generate and transport methanol steam. The results show that increasing the current density, reducing the opening rate of evaporator or increasing the thickness of the membrane can effectively reduce the methanol permeation rate and improve the performance of the battery. Cathode MPL plays an important role in increasing water reflux and reducing water loss. By optimizing the operating conditions and the structure of the battery, the transient simulation analysis is carried out to better understand the characteristics of mass transfer, which provides a good theoretical basis for the transient study of passive direct methanol fuel cells.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM911.4

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本文編號(hào)：2206406