微型直接甲醇燃料電池陽極傳質(zhì)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）是一種能夠?qū)⒁后w甲醇的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。由于μDMFC具有能量密度高、燃料容易儲存以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，使其成為應(yīng)用在便攜式微小型設(shè)備上最有前景的能源之一。然而，μDMFC還存在甲醇滲透、陽極傳質(zhì)效率低、電池組的集成和穩(wěn)定性不高等問題，導(dǎo)致電池放電性能較低，難于滿足便攜式應(yīng)用。本文首先針對主動式的μDMFC建立了兩相傳質(zhì)模型，優(yōu)

2、化設(shè)計了主動式陽極流場結(jié)構(gòu)；其次，針對被動式μDMFC陽極傳質(zhì)，建立了被動式μDMFC陽極兩相傳質(zhì)模型；最后，提出了一種“4-cell”被動式μDMFC單元電池組結(jié)構(gòu)，對便攜式應(yīng)用開發(fā)具有重要的實際意義。
　　針對傳統(tǒng)主動式平行流場傳質(zhì)效率低的問題，本文提出了多進(jìn)多出型平行流場并進(jìn)行優(yōu)化。利用建立的μDMFC陽極傳質(zhì)模型描述了優(yōu)化的陽極流場壓力以及流速分布情況，并利用MEMS工藝在硅極板上實現(xiàn)了相應(yīng)的流場結(jié)構(gòu)。仿真和實驗結(jié)果一致表

3、明，利用方形凸起優(yōu)化的流場結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果最佳，較傳統(tǒng)的平行流場性能提高一倍。其次，針對傳統(tǒng)主動式μDMFC甲醇供給濃度較低的問題，提出了一種復(fù)合型主動式陽極流場結(jié)構(gòu)。利用建立的μDMFC陽極傳質(zhì)模型描述了陽極擴散層及催化層內(nèi)甲醇濃度的分布情況，并利用端板和極板的結(jié)合實現(xiàn)了復(fù)合流場結(jié)構(gòu)。仿真和實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)平行結(jié)構(gòu)流場，復(fù)合型流場結(jié)構(gòu)具有更大的甲醇傳質(zhì)阻力，能夠有效地提高甲醇供給濃度。
　　針對被動式μDMFC陽極自然對流現(xiàn)

4、象，本文建立了被動式μDMFC二維、穩(wěn)態(tài)、非絕熱模型。模型考慮了被動式μDMFC陽極儲液腔內(nèi)自然對流效應(yīng)的影響，并且耦合了熱和物質(zhì)傳輸。整個耦合模型利用有限元方法求解并通過實驗驗證。仿真結(jié)果表明：在豎直放置的條件下，由于陽極自然對流的影響，電池內(nèi)部的溫度從底部到頂部逐漸升高。隨著甲醇濃度的增加，電池的溫度升高，導(dǎo)致儲液腔中的陽極自然對流效應(yīng)增強，在電池內(nèi)部形成更大的溫度分布扭曲及溫差。甲醇滲透率隨著甲醇供給濃度的增加而增大。隨著電流密度

5、的增加，甲醇滲透現(xiàn)象在較低的供給濃度下逐漸增大，而在較高的供給濃度下顯示出逐漸減小的趨勢。以上研究結(jié)果更加準(zhǔn)確的分析了被動式μDMFC內(nèi)部的傳質(zhì)過程。
　　為了驗證被動式陽極自然對流現(xiàn)象，設(shè)計制作了被動式μDMFC單體電池。并在單體電池基礎(chǔ)上設(shè)計并制作了一種面向應(yīng)用的“4-cell”被動式μDMFC單元電池組，并利用自設(shè)計的電聯(lián)方法實現(xiàn)單元電池組之間的串聯(lián)，從而實現(xiàn)μDMFC的多節(jié)串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)可以大大提高電池組的穩(wěn)定性。通過對電