多孔电极中电解质溶液离子传输的数值模拟研究

【摘要】本论文主要对多孔介质中的溶质迁移进行研究，并将土壤多孔介质的溶质迁移模型应用到电极多孔介质离子传输的数值模拟。本文采用MIM模型分析了孔隙度、吸附常数、传质系数等参数对电极多孔介质离子传输特性的影响。现有的研究一般都采用ADE模型来模拟溶质迁移。现有的ADE模型的模拟结果与土壤的溶质迁移的实际情况相比存在一定的误差，产生的误差主要体现在以下两个方面：第一：采样点的溶质浓度达到峰值的时间和大小都小于实际情况。第二：ADE模型模拟得到的浓度曲线大致对称，但是实际的浓度曲线存在很大的拖尾现象。分析得知产生误差的原因在于模拟的时候忽略了吸附，溶质在通过多孔介质的时候会吸附在多孔介质的表面，吸附在多孔介质表面的溶质可能在下一时间被溶剂带走，也有可能通过扩散进入到溶液中，溶质吸附在多孔介质的表面会延迟溶质的迁移，使得达到峰值的时间延迟，造成拖尾。为此本文采用另一个数值分析模型——MIM模型，该模型耦合了达西定律模型和溶质运移物理模型。MIM模型将液相分为两个区域：移动域和固定域。移动域和固定域之间的溶质迁移通过扩散实现，并且扩散速率与浓度差成正比。该模型的模拟结果与实际情况相似，此外本文还分析了MIM模型中孔隙含水率、传质系数和吸附系数对溶质迁移特性的影响。本文采用MIM模型对电极多孔介质中的离子传输过程进行了数值模拟。主要分析了电极催化层和扩散层的孔隙度及涂层厚度对电池电流输出性质的影响。模拟结果表明：催化层的厚度和孔隙度的改变对电池的性能影响较小，这是因为催化层的厚度比较小，溶质传输的阻力较小；扩散层的厚度和孔隙度对电池性能的影响较大，应在考虑其他参数的基础上选择合适的扩散层厚度，以获得较优的电池输出性能；电池的电流密度与扩散层的孔隙度成正比，大孔隙度能够减小传质阻力提高电池的输出性能，但也会加重溶质流动，引起溶液在扩散层和催化层之间的窜流，所以孔隙度也要适当选择。
【作者】赵现利；
【导师】左春柽；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】溶质传输；电池性能；ADE；MIM；孔隙度；厚度；

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