Аналитические модели высокотемпературных топливных элементов с полимерной протон-проводящей мембраной

• Автор: Шамардина, Ольга Михайловна
• Шифр специальности: 02.00.06, 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Оглавление

Список используемых сокращений

Список обозначений

Введение

1 Обзор основных теоретических и экспериментальных работ по теме диссертации

1.1 Топливные элементы и моделирование

1.2 Принцип квазидвумерного подхода.

1.3 Учет транспортных эффектов в каталитическом слое

1.4 Нестационарный режим работы ТЭ

2 Простая аналитическая модель

2.1 Приближения.

2.2 Одномерная модель.
2.2.1 Скорость реакции восстановления кислорода
2.2.2 Транспорт газов через мембрану.
2.2.3 Транспорт кислорода в ГДС .
2.2.4 Локальная ВАХ .
2.2.5 ВАХ при бесконечной стехиометрии кислорода
2.3 Квазидвумерная модель.
2.3.1 Профили плотности локального тока и концентрации кислорода вдоль канала
2.3.2 Перенапряжение на катоде.
2.3.3 Непроницаемая для кислорода и водорода мембрана .
2.4 ВАХ ТЭ
2.5 Новые методы измерения проницаемости мембраны
2.6 Результаты применения модели.
2.6.1 Важные параметры и вспомогательные выражения .
2.6.2 Определение параметров ТЭ
2.6.3 Предсказательная сила модели.
2.7 Диффузия газов в мембране при разомкнутой цепи.
2.8 Выводы.
3 Модель с учетом эффектов переноса в активном слое
3.1 Приближения
3.2 Уравнения
3.2.1 Закон сохранения массы для кислорода в канале .
3.2.2 Эффекты переноса в К КС
3.2.3 Решение и численные методы.
3.3 Результаты применения модели.
3.3.1 Определение параметров ТЭ
3.3.2 Исследования свойств компонентов ТЭ
3.4 Возможное полуаналитическое решение
3.5 Выводы.
4 Нестационарная модель
4.1 Приближения
4.2 Уравнения
4.2.1 Основные нестационарные уравнения
4.2.2 Решение и численные методы.
4.3 Результаты применения модели
4.3.1 Определение параметров ТЭ.
4.3.2 Предсказательная сила модели
4.4 Выводы
Основные результаты и выводы
Литература


Это псевдодвумсрная модель, ее можно решить аналитически. Модель учитывает диффузию газов через мембрану. Она применима для описания двух различных режимов измерения вольгаммерных характеристик ВАХ ТЭ работа с постоянной скоростью потоков газов или работа с постоянной стехиометрией потоков газов Л отношение количества подаваемого в систему кислорода к затраченному на производство тока в результате электрохимической реакции. Модель позволяет получить профили локального тока и концентраций реагентов в направлении вдоль канала. На основании модели предложены два новых способа оценки проницаемости мембраны для газов. Модель проверена с использованием экспериментальных данных из независимых. В экспериментах применялись совершенно различные измерительные инструменты, материалы и методы сборки мембранноэлектродных блоков МЭБ. ТЭ, учитывающая проницаемость мембраны для газов и детально рассматривающая транспорт кислорода и протонов в катодном каталитическом слое. Кроме того, разработана псевдодвумерная динамическая модель высокотемпературного ТЭ, учитывающая транспорт кислорода в катодном канале, подходящая для моделирования отклика системы на скачки тока или напряжения и для анализа и моделирования импедансной спектроскопии МЭБ. Для реализации моделей и численных методов использовался математический пакет с открытым исходным кодом с интерфейсом на языке программирования . Применялись функции из i библиотека математических инструментов с открытым исходным кодом для . Небольшая часть численных методов была реализована на . Поскольку все предложенные модели работают быстро и эффективно, для вычислений и моделирования использовался обычный современный персональный компьютер. Целью данной работы является разработка простых моделей высокотемпературного топливного элемента с протонпроводящей мембраной и вычислительных средств для анализа экспериментальных данных и для предсказания поведения системы в различных условиях. Модели должны помочь оценить и понять свойства высокотемпературного ТЭ и его составных частей, в частности, роль проницаемости полимерной мембраны для газовых реагентов и роль переноса кислорода и протонов в композитном полимернеорганическом активном слое в понижении эффективности топливного элемента. Несмотря на свою простоту, а. Они позволяют оптимизировать состав и размеры полимерной мембраны и катодного каталитического слоя топливного элемента, а также режим работы топливною элемента. При помощи предложенных моделей можно оценивать проницаемость мембраны для газов, протонную проводимость мембраны, пористость и проводимость композитного активною слоя, параметры электрохимической реакции, эффективность работы катализатора. Адекватность моделей проверена на разнообразных экспериментальных данных для большого диапазона параметров и свойств работы высокотемпературных ТЭ. Модели дают ответы на прикладные инженерные вопросы и обладают хорошей предсказательной силой. Помимо оценки текущих характеристик высокотемпературных ТЭ и их компонентов, модели показывают, какие факторы влияют на производительность ТЭ и как можно улучшить эффективность конкретного МЭБ. Впервые разработана аналитическая модель высокотемпературного топливного элемента с полимерной протонпроводящей мембраной, учитывающая транспорт газов через мембрану. Предложены два новых метода оценки коэффициентов проницаемости мембраны для газовых реагентов. Впервые разработана простая исевдодвумерная модель высокотемпературного топливного элемента, учитывающая транспорт газов через полимерную мембрану, детально рассматривающая транспорт кислорода и протонов в композитном пол и мернеорганическом катодном каталитическом слое. Впервые разработана псевдодвумерная динамическая модель высокотемпературного топливного элемента с полимерной протонпроводящей мембраной, учитывающая транспорт кислорода в катодном канале, подходящая для моделирования реакции системы на скачки тока или напряжения и для анализа и моделирования имиедансной спектроскопии без применения эквивалентных схем.