微型燃料電池流場參數(shù)影響研究.pdf

1、隨著自然資源的日益缺乏和人們環(huán)保意識的提高，燃料電池作為一種綠色能源受到越來越多的青睞，它具有高能量比、模塊化、方便持久和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)解決節(jié)能和環(huán)保兩大難題。以甲醇為燃料的直接甲醇型燃料(DMFC)電池是單兵電源、筆記本電腦等供電的優(yōu)選小型便攜式電源，目前正處在研究開發(fā)階段。 本文首先利用計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件，對直接甲醇燃料電池的工作過程進(jìn)行了模擬，模型的控制方程耦合了連續(xù)性方程、模擬電化學(xué)反應(yīng)的Butler-Volm

2、er方程和動量方程等。模型分為集流板、流體通道、擴(kuò)散層和催化層，同時(shí)假定燃料為粘性不可壓縮流體，其流動符合層流假設(shè)，將Navier-Stokes方程組作為各區(qū)域內(nèi)的基本傳輸方程。模型考慮了甲醇燃料在多孔介質(zhì)中的質(zhì)量傳輸特性，同時(shí)也考慮了生成CO2后流道中氣液兩相流的流動。通過對模型的求解，得到了不同工作條件(燃料濃度、入口流量、燃料溫度)下和不同流場形態(tài)(流道截面寬度、截面高度和流道間距)下DMFC的工作性能，輸出了平均電流密度和電壓等

3、參數(shù)，同時(shí)也得到了DMFC內(nèi)部速度場、燃料組分濃度和生成物濃度的分布圖，為實(shí)驗(yàn)研究提供了參考數(shù)據(jù)。 在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，本文采用課題組設(shè)計(jì)制作的自呼吸式直接甲醇燃料電池，依據(jù)流道寬度、高度及肩寬的不同共有12種陽極流場板，對應(yīng)12個不同的電池，每塊流場板的流道都分布在5mm×10mm的范圍內(nèi)，整個流場板的面積是300mm2。整個電池由五部分組成，分別為陽極蓋片、陽極流場板、MEA、陰極集流板和陰極蓋片，陽極流場板由不銹鋼材料加工

4、而成，同時(shí)起到了集流板的作用，在MEA和流場板之間有集流網(wǎng)，以便更好的收集電流，陽極和陰極蓋片的材料均為透明有機(jī)玻璃。 本文使用的課題組設(shè)計(jì)制作的燃料電池測試平臺分為五個部分：立體視覺系統(tǒng)、雙道微量注射泵、電子負(fù)載(上位機(jī))、燃料電池和控制計(jì)算機(jī)。利用這個測試平臺對不同工作條件下和不同流場形態(tài)下的電池性能進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)電池的極限電流密度和功率隨燃料入口速度及DMFC內(nèi)溫度的增大而增大，甲醇濃度在2mol/L時(shí)最優(yōu)，而流道截面寬