微型直接甲醇燃料電池陽極流場結(jié)構(gòu)影響研究.pdf

1、近年來，微型直接甲醇燃料電池(Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC)由于高比能、高效、易構(gòu)建、快速加燃料、燃料便于存儲(chǔ)、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種極有應(yīng)用前景的便攜式產(chǎn)品。然而，諸多技術(shù)難題阻礙了人們對(duì)它的廣泛應(yīng)用。其中，陽極流場板主要用于供應(yīng)、分配甲醇燃料與排出產(chǎn)物，并收集電流。因此，其設(shè)計(jì)的合理與否將直接影響到電池性能。本文圍繞傳統(tǒng)流場與新型含超疏水氣體通道流場的結(jié)構(gòu)展開了系統(tǒng)研究。
　

2、　之前的研究傾向于從有限的、分離的陽極流場結(jié)構(gòu)樣本中揭示陽極流場對(duì)電池性能影響的基本規(guī)律，并且多數(shù)研究忽視了陽極流場設(shè)計(jì)中不同幾何參數(shù)對(duì)電池性能的交叉影響。為此，本文采用響應(yīng)面參數(shù)分析法(Response Surface Methodology, RSM)建立了在一個(gè)確定的參數(shù)空間內(nèi)描述μDMFC陽極流場結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電池輸出性能連續(xù)的、交叉的全局影響的關(guān)系模型。首先，基于連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、Butler-Volme

3、r方程等建立了μDMFC的三維數(shù)值模型。對(duì)模型求解，可輸出電池的峰值功率密度。然后，建立了RSM關(guān)系方程，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)RSM模型的分析表明，40％～50％的流場開孔率能獲得最高的電池輸出性能，而更大開孔率時(shí)增大的甲醇滲透速率或更小開孔率時(shí)增大的傳質(zhì)阻力都會(huì)降低μDMFC的性能。對(duì)于相同的甲醇流量30ml/h，當(dāng)溝道深度從0.6mm降低至0.3mm時(shí)，甲醇水溶液的流速會(huì)增大，導(dǎo)致其質(zhì)量傳遞系數(shù)增大，但進(jìn)一步減小的溝道深度會(huì)導(dǎo)致

4、有效質(zhì)量傳遞系數(shù)減小。對(duì)于相同的開孔率及適中的溝道深度0.4mm，溝道長度的增加使甲醇傳質(zhì)更充分、分配更均勻，因而提高電池的性能。最后，通過RSM方程給出了特定參數(shù)空間內(nèi)的最佳流場結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　在傳統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三種（蛇形流場、螺旋流場、平行流場）含有超疏水排氣微通道、氣液通道嵌套排布的新型流場。采用有限元分析中的Level Set方法建立了三種新型流場和三種傳統(tǒng)流場的數(shù)值模型。組裝了含新型流場的單電池進(jìn)行CO2氣泡