A Numerical model of Direct Methanol Fuel Cell

近年來，由於石油的藏量日益減少，高油價的時代來臨，加上環保意識的抬頭，尋找替代性能源的重要性也與日俱增。在所有能源中，最方便的能源非電能莫屬，能夠產生電能的機制中，其中又以燃料電池的發電機制最被看好。因此，我們需要一個能夠完整描述燃料電池的數學模型來幫助我們了解這二十一世紀的新興替代性能源。 在本篇研究中，我們建立一個單一相、一維的數數學模型描述直接甲醇燃料電池的運作情形。利用建立起的統馭方程式以及邊界條件，本模型只需給定初始條件以及電池結構，即可計算出燃料電池最後的結果。和其他文獻不同的地方，本篇研究可以細微的描述直接甲醇燃料電池在運作時內部的各物質的分布情況，包含甲醇濃度和通量隨位置的變化、氧氣濃度和通量隨位置的變化、電流分布隨位置的變化、電池的放電現象(I-V曲線分布圖)等等。透過研究的結果，我們可以得知電池的設計結構和操作條件會如何地影響燃料電池的放電成效。這些資訊，將有助於燃料電池的設計與提供整體系統的改善方針。As a result of the increasing demand for gasoline and depleting capacity of petroleum reservoirs, the gasoline price is rising sky high. In addition the emission of carbon dioxide as a result of gasoline consumption is believed to be the cause of global warming. As a consequence, it is getting more and more important to search for alternative, environmentally friendly energy sources. The fuel cell technology is considered to be a good candidate for replacing gasoline engines. Consequently, it is desirable to have a comprehensive understanding of various aspects of fuel cells. In this research, we establish a single-phase one-dimensional model to describe the fuel transport and electricity generation in direct methanol fuel cells. Compared to other approaches, this work provides the special distribution of various properties in the DMFC, including concentration and flux profiles of methanol, concentration and flux profiles of oxygen, current density distribution, and the polarization curve etc. According to the results of the research, we can understand the cell performance which is important in the design, optimization, and control of its operation.誌謝 I文摘要 IIbstract III錄 IV索引 V索引 VII. 緒論 1.1研究背景 1.2燃料電池特點 1.3燃料電池的種類 3.4直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC) 4. 直接甲醇燃料電池的工作原理以及模型的發展近況 6.1直接甲醇燃料電池工作原理 6.2研究直接甲醇燃料電池的方法 8.3直接甲醇燃料電池數值解模型 10. DMFC數值解數學模型的建立 13.1 基本假設 13.2 數值解數學模型建立原理及方程式 15.2.1 陽極流動層(Anode flow channel) 16.2.2 陽極擴散層(Anode diffusion layer) 17.2.3 陽極觸媒層(Anode catalyst layer) 18.2.4 質子交換膜(Proton exchange membrane) 19.2.5 陰極流動層(Cathode flow channel) 21.2.6 陰極擴散層(Cathode diffusion layer) 22.2.7 陰極觸媒層(Cathode catalyst layer) 22.3 模型使用參數 26.4 模型解題流程 31. 結果與討論 33.1 極化曲線(I-V polarization curve) 33.2 濃度分布曲線(concentration profile) 34.3 通量分布曲線(flux distribution) 37.4 電流密度分布曲線(current density distribution) 38.5 過電位分布曲線(overpotential distribution) 40.6 實際甲醇進料情況 41.7 參數對極化曲線的影響 42. 結論 45考文獻 47錄 5