微型直接甲醇燃料電池陽(yáng)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(chǔ)存以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，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(yáng)極傳質(zhì)效率低、電池組的集成和穩(wěn)定性不高等問(wèn)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(duì)主動(dòng)式的μDMFC建立了兩相傳質(zhì)模型，優(yōu)

2、化設(shè)計(jì)了主動(dòng)式陽(yáng)極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；其次，針對(duì)被動(dòng)式μDMFC陽(yáng)極傳質(zhì)，建立了被動(dòng)式μDMFC陽(yáng)極兩相傳質(zhì)模型；最后，提出了一種“4-cell”被動(dòng)式μDMFC單元電池組結(jié)構(gòu)，對(duì)便攜式應(yīng)用開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)際意義。
　　針對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)式平行流場(chǎng)傳質(zhì)效率低的問(wèn)題，本文提出了多進(jìn)多出型平行流場(chǎng)并進(jìn)行優(yōu)化。利用建立的μDMFC陽(yáng)極傳質(zhì)模型描述了優(yōu)化的陽(yáng)極流場(chǎng)壓力以及流速分布情況，并利用MEMS工藝在硅極板上實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表

3、明，利用方形凸起優(yōu)化的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果最佳，較傳統(tǒng)的平行流場(chǎng)性能提高一倍。其次，針對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)式μDMFC甲醇供給濃度較低的問(wèn)題，提出了一種復(fù)合型主動(dòng)式陽(yáng)極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。利用建立的μDMFC陽(yáng)極傳質(zhì)模型描述了陽(yáng)極擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了復(fù)合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)平行結(jié)構(gòu)流場(chǎng)，復(fù)合型流場(chǎng)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(duì)被動(dòng)式μDMFC陽(yáng)極自然對(duì)流現(xiàn)

4、象，本文建立了被動(dòng)式μDMFC二維、穩(wěn)態(tài)、非絕熱模型。模型考慮了被動(dòng)式μDMFC陽(yáng)極儲(chǔ)液腔內(nèi)自然對(duì)流效應(yīng)的影響，并且耦合了熱和物質(zhì)傳輸。整個(gè)耦合模型利用有限元方法求解并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：在豎直放置的條件下，由于陽(yáng)極自然對(duì)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(chǔ)液腔中的陽(yáng)極自然對(duì)流效應(yīng)增強(qiáng)，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(shì)。以上研究結(jié)果更加準(zhǔn)確的分析了被動(dòng)式μDMFC內(nèi)部的傳質(zhì)過(guò)程。
　　為了驗(yàn)證被動(dòng)式陽(yáng)極自然對(duì)流現(xiàn)象，設(shè)計(jì)制作了被動(dòng)式μDMFC單體電池。并在單體電池基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作了一種面向應(yīng)用的“4-cell”被動(dòng)式μDMFC單元電池組，并利用自設(shè)計(jì)的電聯(lián)方法實(shí)現(xiàn)單元電池組之間的串聯(lián)，從而實(shí)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(guò)對(duì)電