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(shù)的迅速發(fā)展，基于微電子機械系統(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，具有廣闊的應(yīng)用前景。相對于傳統(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。針對此問題，本文從陽極多孔介質(zhì)，陽極流道和運行參數(shù)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(zhì)模型，對μDMFC陽極多孔介質(zhì)的甲醇傳質(zhì)和氣液兩相傳輸進行了系統(tǒng)的研究；其次，結(jié)合了陽極流場的微尺度效應(yīng)，采用介觀模擬方法對陽極微流道內(nèi)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(yīng)面分析方法研究了運行參數(shù)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(yīng)面分析結(jié)果，研制了μDMFC系統(tǒng)的陽極自適應(yīng)供給系

3、統(tǒng)。
　　μDMFC工作時，陽極催化層產(chǎn)生的CO2首先傳輸?shù)疥枠O多孔介質(zhì)區(qū)域，陽極多孔介質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會影響內(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，通過模型全面分析了陽極多孔介質(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，工作溫度等運行參數(shù)對電池性能有明顯的影響；當陽極多孔介質(zhì)特性(親疏水，壓縮特性)變化時，對應(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CO2經(jīng)過多孔介質(zhì)傳輸?shù)疥枠O流場后，宏觀流動下可以忽略的微尺度效應(yīng)變得越發(fā)明顯。針對此問題，結(jié)合介觀分析理論，利用晶格-波爾茲曼方法對μDMFC陽極流場內(nèi)部的主要微尺度效應(yīng)進行分析，研究了截面效應(yīng)，親疏水效應(yīng)對微流道內(nèi)氣液兩相流運動過程及電池性能的影響。仿真結(jié)

5、果表明：相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jié)果，制備了具有不同微結(jié)構(gòu)的鋁基極板，組裝成單體電池進行測試。實驗結(jié)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(jié)果相互吻合。以上研究結(jié)果能夠為μDMFC陽極流道內(nèi)部的微尺度效應(yīng)研究提供依據(jù)。
　　μDMFC工作時所對應(yīng)的運行參數(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影響μDMFC的輸出性能。針對這一問題，采

6、用響應(yīng)面分析方法研究了運行參數(shù)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(shù)為最大輸出功率密度和開路電壓，通過測試數(shù)據(jù)對響應(yīng)面分析的參數(shù)進行訓練，從而獲得更精確的分析結(jié)果。這種方法不僅可以表征運行參數(shù)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(tǒng)的便攜式應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)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(yīng)面分析的研究成果，提出并設(shè)計了陽極自適應(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)。對自適應(yīng)供給模塊功能，系統(tǒng)動態(tài)性能及穩(wěn)定性進行了全面的測試與分析。結(jié)果表明：基于自適應(yīng)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(yīng)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(jié)果表明：優(yōu)