直接甲醇液流燃料電池的二維兩相模型

王 佳，張 晶，黃成德*

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第十八研究所，天津 300381）

直接甲醇燃料電池（DMFC）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性能高，持續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)，能量密度高，對(duì)環(huán)境友好，可以作為飛機(jī)、火車(chē)、汽車(chē)以及便攜式電子產(chǎn)品的理想電源［1］。但經(jīng)過(guò)近20 a的研究，DMFC的陰極水淹、甲醇滲透、成本高等問(wèn)題依然阻礙著 DMFC的商業(yè)化。

直接甲醇液流燃料電池（DMRFC）使用液流電池電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DMFC陰極電極，DMRFC的陰極只使用了一層電極，沒(méi)有催化層和擴(kuò)散層，而且反應(yīng)液為氧化還原電對(duì)。Ilicic等［2］構(gòu)筑的直接液流燃料電池（DLRFC）使用甲醇、甲酸等做陽(yáng)極燃料，F(xiàn)e3+/Fe2+為陰極氧化劑。DLRFC陰極和陽(yáng)極均為液體進(jìn)料，避免了陰極的水淹問(wèn)題，陽(yáng)極燃料滲透到陰極不會(huì)反應(yīng)，避免了燃料滲透問(wèn)題，陰極不需要使用貴金屬催化劑，降低了電池的成本。

目前關(guān)于 DMRFC的模擬研究還很少，Singh等［3］建立了一個(gè)電池結(jié)構(gòu)和DMRFC一樣的質(zhì)子交換膜液流燃料電池模型，其陽(yáng)極使用氫氣為燃料，陰極使用5價(jià)釩和4價(jià)釩的氧酸鹽作為氧化還原電對(duì)。但該模型只考慮了復(fù)雜的陰極過(guò)程，而沒(méi)有考慮陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)傳輸。

本研究將建立1個(gè)二維兩相等溫的DMRFC單電池模型，該模型考慮了電池陽(yáng)極和陰極所有層中的傳輸現(xiàn)象，以及二氧化碳?xì)怏w的產(chǎn)生和甲醇通過(guò)質(zhì)子交換膜的滲透，并通過(guò)該模型研究了陽(yáng)極擴(kuò)散層厚度，陽(yáng)極催化層厚度和陰極Fe3+濃度對(duì)電池性能的影響。

1 模型

1.1 模型的建立

DMRFC的工作原理如圖1所示，模擬區(qū)域包括陽(yáng)極流道（AFC）、陽(yáng)極擴(kuò)散層（ADL）、陽(yáng)極催化層（ACL）、質(zhì)子交換膜（PEM）和陰極電極（CE）。……