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基于抽吸原理的空气自呼吸式直接甲醇燃料电池的三维数值模拟

作　者: 唐蜜
导　师: 叶强
学　校: 上海交通大学
专　业: 工程热物理
关键词: 直接甲醇燃料电池空气自呼吸抽吸式自然对流电堆
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

空气自呼吸式的直接甲醇燃料电池由于阴极物质传输为被动式,空气靠扩散和自然对流进入电池,不需要风扇或泵等装置,因此省去了很多附加设备。这不仅节约了电池的输出能量,提高了电池的效率,还简化了燃料电池系统,使电池结构更加紧凑,易于携带组装,从而使空气自呼吸式直接甲醇燃料电池在便携式电子设备领域有了更广阔的应用前景。空气自呼吸式燃料电池的阴极通常有两种结构：抽吸式和敞开式。相对于敞开式结构,抽吸式结构的独特优点是便于电池组的串联布置以及电堆的紧凑设计,更具有实用价值。而在现有的文献报道中,针对抽吸式的阴极结构的研究大多数都是基于氢-氧燃料电池的,基于甲醇燃料电池的研究较少。因此本文针对阴极为管道抽吸式结构的直接甲醇燃料电池建立了单电池三维、两相、非等温稳态数值模型,同时该模型还综合考虑了单电池在组成电堆后运行状况的变化。本文首先利用此模型研究了质子交换膜性能、供给甲醇浓度两个主要参数对空气抽吸式直接甲醇燃料电池的温度、燃料穿透、输出性能和燃料利用率等特性的影响。结果表明,对于保温性较好的大电堆,采用低甲醇穿透的改性质子交换膜能同时提升燃料利用率和比功率；此类电堆若采用穿透率低的改性膜,则2M的甲醇浓度就能保证电池在较大的电流密度区间内维持较高的功率与效率。其次,针对空气抽吸式直接甲醇燃料电池便于将单电池组合成电堆的特点,本文研究了电堆规模以及电池长度等相关几何尺寸对电池性能的影响。结果表明,作为影响电池运行温度的重要因素,电堆规模的大小将直接影响质子交换膜种类与甲醇浓度等关键参数的设计与选择；当电池的工作电流密度较大时,电池长度对阴极氧气传质的影响非常显著,电池其它参数的设计也需根据电池的长度做出相应调整。最后,本文还研究了空气抽吸式直接甲醇燃料电池的热管理,分析了电堆的散热情况,研究了自然对流散热、辐射散热等散热方式以及环境温度对电堆散热情况及电池性能的影响。结果表明,通过固体壁面的自然对流散热和辐射散热是此类电池主要的散热途径,因此自然对流散热系数和发射率等有关固体壁面散热的参数对电池的散热情况会有较大的影响；针对不同规模电堆的保温性的区别,可以采用给固体壁面镀上一层金属等表面处理方式改变其表面发射率,使电池温度保持在合适的范围内以获得较好的电池性能；环境温度对保温性较差的小规模电堆影响较大,较高的环境温度能提高小规模电堆的温度,使其性能提高。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-25
  1.1 研究背景与意义  10-13
    1.1.1 课题背景  10-11
    1.1.2 燃料电池简介  11-13
  1.2 DMFC的基本工作原理  13-17
    1.2.1 电池结构  13-14
    1.2.2 工作原理  14
    1.2.3 基本理论  14-17
  1.3 国内外研究现状综述  17-22
    1.3.1 主动式直接甲醇燃料电池  18-19
    1.3.2 空气自呼吸式燃料电池  19-22
  1.4 本文主要工作及创新点  22-25
    1.4.1 创新点  22-23
    1.4.2 主要工作内容  23-25
第二章空气抽吸式DMFC的数学模型  25-40
  2.1 模型几何结构  26-27
  2.2 控制方程  27-37
    2.2.1 质量守恒方程  27-29
    2.2.2 动量守恒方程  29
    2.2.3 能量守恒方程  29-31
    2.2.4 组分守恒方程  31-32
    2.2.5 电荷守恒方程  32-34
    2.2.6 膜中物质传输模型  34-36
    2.2.7 两相模型  36-37
  2.3 边界条件  37-39
    2.3.1 流道进出口边界条件  37-38
    2.3.2 壁面边界条件  38-39
  2.4 建模过程  39
  2.5 本章小结  39-40
第三章关键参数的选择与优化  40-52
  3.1 PEM对电池性能的影响  40-45
    3.1.1 对电池温度与甲醇穿透的影响  41-43
    3.1.2 对电池输出性能的影响  43-44
    3.1.3 对燃料利用率的影响  44-45
  3.2 甲醇进口浓度对电池性能的影响  45-50
    3.2.1 对电池温度与甲醇穿透的影响  46
    3.2.2 对电池输出性能和阴极传质的影响  46-49
    3.2.3 对燃料利用率的影响  49-50
  3.3 本章小结  50-52
第四章电堆几何尺寸对电池性能的影响  52-61
  4.1 电堆规模对电池性能的影响  52-55
    4.1.1 对电池温度的影响  52-53
    4.1.2 对电池输出性能的影响  53-54
    4.1.3 对燃料利用率的影响  54-55
  4.2 电池长度对电池性能的影响  55-59
    4.2.1 对电池温度的影响  56
    4.2.2 对阴极传质和电池输出性能的影响  56-58
    4.2.3 对燃料利用率的影响  58-59
  4.3 本章小结  59-61
第五章电堆散热条件对电池性能的影响  61-71
  5.1 电池温度分布  61-62
  5.2 三种散热方式  62-64
  5.3 电堆外壁面发射率对电池性能的影响  64-67
    5.3.1 对电池温度的影响  64-66
    5.3.2 对电池输出性能的影响  66-67
  5.4 环境温度对电池性能的影响  67-70
    5.4.1 对电池温度的影响  67-69
    5.4.2 对电池输出性能的影响  69-70
  5.5 本章小结  70-71
第六章总结与展望  71-74
  6.1 研究内容总结  71-72
  6.2 后续研究工作的展望  72-74
参考文献  74-79
附录1 符号说明  79-80
附录2 主要参数表达式  80-84
攻读硕士学位期间发表的学术论文  84-85
致谢  85-87

基于抽吸原理的空气自呼吸式直接甲醇燃料电池的三维数值模拟

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