可渗透阳极空气自呼吸微流体燃料电池内流动与传输特性数值模拟

摘要

近年来，互联网通信技术不断发展，便携式移动设备的广泛使用使得人们对性能好、稳定性高、环境友好的微型电源要求也越来越高。随着光刻和软光刻技术的日臻成熟，微流体燃料电池（Membraneless Microfluidic fuel cell，MMFC）逐渐进入人们的视野，成为一种极具潜力的微型移动电源。以平行层流流动为本质的微流体燃料电池可自然隔开燃料和氧化剂，去除了传统燃料电池中的质子交换膜，降低了电池成本，消除了有膜燃料电池由于膜而存在的相关问题，引起了研究者的广泛关注。通过电子束蒸发器在Y型通道的两侧壁面蒸发Cr和Au形成平面电极，研究者们加工制造了最初的MMFC。这种MMFC由于物质传输受限，导致阴阳极电极表面出现浓度边界层，造成燃料利用率较低，电池性能较差。空气自呼吸阴极的提出解决了阴极侧氧化剂浓度较低和浓度边界层问题。而可渗透阳极的提出也在一定程度上提高了阳极侧的电池性能。碳纸和碳布是MMFC中常用的可渗透电极材料，通常将催化剂负载于碳纸/碳布表面形成二维平面催化层，这并不能充分发挥可渗透阳极的优势。三维石墨毡由于具有较大的比表面积，可通过电化学沉积等方式将催化剂负载于石墨毡孔隙内部形成三维结构催化层，为进一步提高MMFC性能提供了极大的可能性。因此，本文针对石墨毡可渗透阳极自呼吸微流体燃料电池，通过数值模拟手段系统研究了使用不同的电解液情况下，电池的流动传输特性和电池性能。通过建立酸性电解液下单相流动和两相流动、碱性电解液下单相流动的微流体燃料电池模型，模拟获得了MMFC中速度、浓度分布和相分布规律，讨论了燃料浓度、反应物流量和石墨毡厚度对电池性能的影响，并且通过改变电池尺寸和电池结构，讨论了不同情况下的电池性能。　　本研究主要内容包括：①在酸性电解液下，采用三维石墨毡材料作阳极的自呼吸微流体燃料电池，相比于使用碳纸和碳布作可渗透电极时，燃料利用率提高，燃料渗透减少，电池性能进一步提升。增大反应物流量、进口燃料浓度和石墨毡催化层厚度，电池性能先增加，后逐渐趋于稳定。将平板式电池结构改为圆筒式电池结构后，获得了相对前者2倍以上的功率密度和高达80％的燃料利用率。但是燃料向阴极的渗透增多。②酸性电解液下运行的具有两相流动的石墨毡可渗透阳极自呼吸微流体燃料电池，催化层内反应生成的二氧化碳相分数最高可达0.4，电池性能较低，最大电流密度和最大功率密度只有36.4 mA/cm2和3.0 mW/cm2。改变反应物流量，电池性能并未发生显著变化；改变燃料浓度，电池性能随着浓度的增加而增加。③在碱性电解液下，采用石墨毡作可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池可获得136.9 mA/cm2和23.5 mW/cm2电流密度和功率密度，相比于具有两相流动的酸性MMFC，分别提高了6.6倍和7.6倍。燃料浓度的增大，电池性能呈上升趋势；反应物流量的增大，电池性能先升高后维持不变；石墨毡电极厚度的增加，电流密度和功率密度随之增大，但增量不断减小。

目录

符号说明

1 绪 论

1.1引言

1.2微流体燃料电池概述

1.3微流体燃料电池研究现状

1.4 COMSOL MULTIPHYSICS简介

1.5本课题主要研究工作

2 酸性电解液下可渗透阳极空气自呼吸微流体燃料电池数值模拟

2.1引言

2.2物理数学模型

2.3网格划分及验证

2.4电池性能及传质特性

2.5 本章小结

3 酸性电解液下可渗透阳极空气自呼吸微流体燃料电池内气液两相流动及传输数值模拟

3.1引言

3.2物理与数学模型

3.3模型的求解及验证

3.4酸性微流体燃料电池内气液两相流动及传输特性

3.5酸性微流体燃料电池优化

3.6本章小结

4 碱性电解液下可渗透阳极空气自呼吸微流体燃料电池数值模拟

4.1引言

4.2物理与数学模型

4.3模型求解及验证

4.4电池性能及参数影响

4.5本章小结

5 结论与展望

5.1本文结论

5.2本文主要创新点

5.3后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励

C 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目