微型直接甲醇燃料電池陽極氣液兩相流研究.pdf

1、隨著微能源技術的迅速發(fā)展，基于微電子機械系統(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技術的微型直接甲醇燃料電池(Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC)具有能量密度高，環(huán)保高效等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。相對于傳統尺寸的電池，特征尺寸的減小使得μDMFC微尺度效應在內部氣液兩相物質傳輸上的作用愈發(fā)明顯。針對此問題，本文從陽極多孔介質，陽極流道和運行參數三個方面研究了

2、μDMFC氣液兩相傳輸和輸出特性。首先，提出了μDMFC氣液兩相三維全電池傳質模型，對μDMFC陽極多孔介質的甲醇傳質和氣液兩相傳輸進行了系統的研究；其次，結合了陽極流場的微尺度效應，采用介觀模擬方法對陽極微流道內的氣液兩相流動進行模擬，并利用高速攝像機進行實驗分析，從而對理論模型進行驗證；然后，采用響應面分析方法研究了運行參數對μDMFC性能和陽極氣液兩相動態(tài)特性的影響；最后，基于響應面分析結果，研制了μDMFC系統的陽極自適應供給系

3、統。
　　μDMFC工作時，陽極催化層產生的CO2首先傳輸到陽極多孔介質區(qū)域，陽極多孔介質內結構參數的變化會影響內部的兩相傳輸及電池的輸出功率。因此，本文首先建立了μDMFC的全電池三維兩相傳質模型，通過模型全面分析了陽極多孔介質內的甲醇傳質和氣液兩相傳輸。仿真結果表明：甲醇濃度，工作溫度等運行參數對電池性能有明顯的影響；當陽極多孔介質特性(親疏水，壓縮特性)變化時，對應區(qū)域的甲醇傳質和氣液兩相傳輸也隨之變化，并且呈現一定的規(guī)律性

4、；基于研究結果，提出一種梯度擴散層結構，能夠有效改善兩相傳輸特性和提高電池性能輸出。以上研究結果為μDMFC運行參數的優(yōu)化研究提供了理論依據。
　　隨著特征尺寸的不斷減小，當CO2經過多孔介質傳輸到陽極流場后，宏觀流動下可以忽略的微尺度效應變得越發(fā)明顯。針對此問題，結合介觀分析理論，利用晶格-波爾茲曼方法對μDMFC陽極流場內部的主要微尺度效應進行分析，研究了截面效應，親疏水效應對微流道內氣液兩相流運動過程及電池性能的影響。仿真結

5、果表明：相對于傳統結構，長寬比為2:1的親水微流道對CO2的運動具有明顯的優(yōu)勢；為了驗證仿真結果，制備了具有不同微結構的鋁基極板，組裝成單體電池進行測試。實驗結果表明：陽極微流道優(yōu)化后的電池性能得到明顯提升，與仿真結果相互吻合。以上研究結果能夠為μDMFC陽極流道內部的微尺度效應研究提供依據。
　　μDMFC工作時所對應的運行參數直接影響電池內部的氣液兩相傳輸，而且，參數之間的相互作用也會影響μDMFC的輸出性能。針對這一問題，采

6、用響應面分析方法研究了運行參數對電池性能和CO2動態(tài)運動的影響，輸入變量為甲醇濃度，陽極流速，電池工作溫度，輸出函數為最大輸出功率密度和開路電壓，通過測試數據對響應面分析的參數進行訓練，從而獲得更精確的分析結果。這種方法不僅可以表征運行參數對電池特性的影響，而且可以分析不同運行變量之間的相互交疊作用，能夠為μDMFC系統的便攜式應用提供有效的數據支持。測試表明：陰極自呼吸式μDMFC單體在工作溫度為60℃時達到最大功率密度105.41m

7、W/cm2，在室溫下最高功率密度為50.59mW/cm2。
　　基于響應面分析的研究成果，提出并設計了陽極自適應供給方式，并將其應用于空氣自呼吸式μDMFC單體及電池組，組成便攜式應用系統。對自適應供給模塊功能，系統動態(tài)性能及穩(wěn)定性進行了全面的測試與分析。結果表明：基于自適應供給方式的μDMFC單體動態(tài)特性得到明顯改善。制作的便攜式應用電池組由6節(jié)單體組成，整體尺寸僅為13.25 cm3，重量僅為24.075 g。測試結果表明：優(yōu)