【摘 要】
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直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)具备低温快速启动、燃料清洁环保、能量密度高、运行时间长等优点,有望未来在运输领域,便携式工具等方面得到广泛应用。本文以DMFC单电池为研究对象,应用有限元商业软件COMSOL Multiphysics,分别建立了二维和三维DMFC两相流模型。通过数值模拟研究DMFC内部的甲醇渗透现象及解决方法,分析不同阳极流场DMFC
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直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)具备低温快速启动、燃料清洁环保、能量密度高、运行时间长等优点,有望未来在运输领域,便携式工具等方面得到广泛应用。本文以DMFC单电池为研究对象,应用有限元商业软件COMSOL Multiphysics,分别建立了二维和三维DMFC两相流模型。通过数值模拟研究DMFC内部的甲醇渗透现象及解决方法,分析不同阳极流场DMFC的电化学和物理场特性,设计新型流场提升电池性能,为DMFC的应用提供研究依据。本文的研究工作如下:首先是建立一个完整的二维DMFC模型,模型考虑气液在流道和多孔介质的两相流、多组分传递、能量传输以及电化学反应。为解决甲醇渗透,设计在质子膜中间加入流动电极层(Flowing electrode channel,FEC),这类电池称为流动电极直接甲醇燃料电池(FEDMFC)。模拟结果表明,FEC有效的降低了电池的甲醇渗透现象。增加FEC溶液流速可以进一步降低甚至消除甲醇渗透;降低FEC溶液入口温度可以减少甲醇扩散通量,同时能够给膜电极带来冷却效果,使温度分布均匀,有利于提高DMFC的整体性能;降低FEC孔隙率同样能减少甲醇渗透通量。其次,研究了阳极流场对DMFC性能的影响。建立了阳极侧完整流场的三维DMFC模型,对四种流场结构(蛇形流场、平行流场、平行蛇形流场和三通道蛇形流场)的DMFC总体电化学性能和各物理场进行分析,包括极化曲线、功率密度、压力和速度云图、甲醇浓度分布、电流密度分布、流场气体体积分数图和温度云图。总结出各流场的优缺点,得出平行蛇形流场因为功率密度高、压降低、产物和热管理性能好,最适合作为DMFC阳极侧流场。最后设计了两种新型DMFC阳极流场。一种是在平行蛇形流场的基础上设计的波浪型3D流场。计算结果发现3D流场的设计加强了甲醇燃料在流道和扩散层之间的传质,降低了DMFC的浓度极化,电池性能得到提升。第二种是金属泡沫流场。通过对单通道金属泡沫流场的DMFC模拟,分别研究了金属泡沫亲水性和孔隙率的影响。结果表明采用亲水性能越好、孔隙率越高的金属泡沫,CO2的排出能力和燃料分布均匀性越好,电池性能越好。
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