微型直接甲醇燃料電池陽(yáng)極氣液兩相流研究.pdf

1、隨著微能源技術(shù)的迅速發(fā)展，基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技術(shù)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(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。相對(duì)于傳統(tǒng)尺寸的電池，特征尺寸的減小使得μDMFC微尺度效應(yīng)在內(nèi)部氣液兩相物質(zhì)傳輸上的作用愈發(fā)明顯。針對(duì)此問(wèn)題，本文從陽(yáng)極多孔介質(zhì)，陽(yáng)極流道和運(yùn)行參數(shù)三個(gè)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(zhì)模型，對(duì)μDMFC陽(yáng)極多孔介質(zhì)的甲醇傳質(zhì)和氣液兩相傳輸進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；其次，結(jié)合了陽(yáng)極流場(chǎng)的微尺度效應(yīng)，采用介觀模擬方法對(duì)陽(yáng)極微流道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬，并利用高速攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，從而對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證；然后，采用響應(yīng)面分析方法研究了運(yùn)行參數(shù)對(duì)μDMFC性能和陽(yáng)極氣液兩相動(dòng)態(tài)特性的影響；最后，基于響應(yīng)面分析結(jié)果，研制了μDMFC系統(tǒng)的陽(yáng)極自適應(yīng)供給系

3、統(tǒng)。
　　μDMFC工作時(shí)，陽(yáng)極催化層產(chǎn)生的CO2首先傳輸?shù)疥?yáng)極多孔介質(zhì)區(qū)域，陽(yáng)極多孔介質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會(huì)影響內(nèi)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(zhì)模型，通過(guò)模型全面分析了陽(yáng)極多孔介質(zhì)內(nèi)的甲醇傳質(zhì)和氣液兩相傳輸。仿真結(jié)果表明：甲醇濃度，工作溫度等運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池性能有明顯的影響；當(dāng)陽(yáng)極多孔介質(zhì)特性(親疏水，壓縮特性)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域的甲醇傳質(zhì)和氣液兩相傳輸也隨之變化，并且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性

4、；基于研究結(jié)果，提出一種梯度擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，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(jié)果為μDMFC運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化研究提供了理論依據(jù)。
　　隨著特征尺寸的不斷減小，當(dāng)CO2經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)傳輸?shù)疥?yáng)極流場(chǎng)后，宏觀流動(dòng)下可以忽略的微尺度效應(yīng)變得越發(fā)明顯。針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合介觀分析理論，利用晶格-波爾茲曼方法對(duì)μDMFC陽(yáng)極流場(chǎng)內(nèi)部的主要微尺度效應(yīng)進(jìn)行分析，研究了截面效應(yīng)，親疏水效應(yīng)對(duì)微流道內(nèi)氣液兩相流運(yùn)動(dòng)過(guò)程及電池性能的影響。仿真結(jié)

5、果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)寬比為2:1的親水微流道對(duì)CO2的運(yùn)動(dòng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)；為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，制備了具有不同微結(jié)構(gòu)的鋁基極板，組裝成單體電池進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：陽(yáng)極微流道優(yōu)化后的電池性能得到明顯提升，與仿真結(jié)果相互吻合。以上研究結(jié)果能夠?yàn)棣藾MFC陽(yáng)極流道內(nèi)部的微尺度效應(yīng)研究提供依據(jù)。
　　μDMFC工作時(shí)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)直接影響電池內(nèi)部的氣液兩相傳輸，而且，參數(shù)之間的相互作用也會(huì)影響μDMFC的輸出性能。針對(duì)這一問(wèn)題，采

6、用響應(yīng)面分析方法研究了運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池性能和CO2動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響，輸入變量為甲醇濃度，陽(yáng)極流速，電池工作溫度，輸出函數(shù)為最大輸出功率密度和開路電壓，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)面分析的參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，從而獲得更精確的分析結(jié)果。這種方法不僅可以表征運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池特性的影響，而且可以分析不同運(yùn)行變量之間的相互交疊作用，能夠?yàn)棣藾MFC系統(tǒng)的便攜式應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支持。測(cè)試表明：陰極自呼吸式μDMFC單體在工作溫度為60℃時(shí)達(dá)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(yīng)面分析的研究成果，提出并設(shè)計(jì)了陽(yáng)極自適應(yīng)供給方式，并將其應(yīng)用于空氣自呼吸式μDMFC單體及電池組，組成便攜式應(yīng)用系統(tǒng)。對(duì)自適應(yīng)供給模塊功能，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性進(jìn)行了全面的測(cè)試與分析。結(jié)果表明：基于自適應(yīng)供給方式的μDMFC單體動(dòng)態(tài)特性得到明顯改善。制作的便攜式應(yīng)用電池組由6節(jié)單體組成，整體尺寸僅為13.25 cm3，重量?jī)H為24.075 g。測(cè)試結(jié)果表明：優(yōu)