燃料電池陰極電化學反應及傳遞過程模型化.pdf

1、燃料電池已經成為未來最有希望的動力來源之一.它是一種將化學反應自由能通過電極反應直接轉化為電能的電化學裝置.燃料電池技術適用于諸如固定能源供給和運輸工具等許多技術領域.為了優化和改進燃料電池的設計,必須進行許多重復的實驗研究,這需要花費大量的時間和金錢.因此一些研究人員使用數學和計算機工具對燃料電池進行模型化研究,揭示當前電池設計的局限性,并確定需要改進的部分.介紹了燃料電池的分類以及質子交換膜燃料電池(PEMFC)的工作原理和研究現狀

2、,并對直接甲醇燃料電池(DMFC)中有關電化學的應及傳遞過程的數學模型進行了比較和分析,描述了適用于DMFC的膜材料以及儀器分析技術的最新進展,認為直接甲醇燃料電池是目前較理想的燃料電池,有著廣闊的發展前景.薄膜浸漬聚集體(TFFA)模型假定由氣體擴散層和反應層構成的氧氣擴散電極在反應層中是一種二次構造形式的多孔結構.該文將TFFA模型應用于堿性燃料電池(AFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極,推導出陰極各種傳遞和反應過程的描述

3、方程,包括氧氣在氣體擴散層和反應層氣體通道中的擴散,氧氣在反應層薄膜中的溶解和擴散,氧在反應層浸漬聚集體中的反應和擴散以及電子和離子的傳導,并給出方程的數值解法.該文運用TFFA模型分別考察了AFC陰極過電位-電流密度的曲線和PEMFC陰極伏安曲線受陰極結構參數變化的影響程度.在對AFC陰極的研究中著重考慮了以下幾個參數:反應層的孔隙率,浸漬聚集體薄膜的厚度,浸漬聚集體的半徑,浸漬聚集體在反應層中的體積分數.模型結果表明對于電極性能而言

4、,氣體擴散層的孔隙率與平均孔徑以及反應層氣體通道的半徑,相對其他參數來說顯得不太重要.在對PEMFC陰極的研究中,除了以上參數以外還考慮了反應層厚度,Nafion<'R>電解質的離子傳導率以及反應層中碳相傳導率對電極性能的影響.研究結果表明氣體擴散層孔隙率,反應層氣體通道的半徑以及碳相中電子傳導率等參數的變化對電極性能影響不大.該文還推導出了氣相進料的DMFC陽極多孔擴散層模型,模型詳細描述了甲醇,水以及二氧化碳在擴散層中的傳遞和反應,

5、使用該模型可以確定各種物質在陽極多孔擴散層中濃度的變化,并可由此確定氣體擴散層/催化劑層邊界處反應物質的濃度.甲醇由電池陽極向陰極的滲漏已成為阻礙DMFC發展的一大障礙.為了解決這一問題,研究人員試圖開發一種新型的膜材料,這種膜必須對甲醇透過有著很好的阻抑性.這也要求研究人員必須提出簡單的方法以檢測新材料的甲醇傳遞性.最后該文通過不同壓力下DMFC開路電位(OCV)的測量結果提出一簡單模型,用此模型可以方便的估算出DMFC中膜的甲醇擴散