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自呼吸式微型燃料电池阳极流场的优化设计与研究

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化学世界 2010年第11期51卷 641-645页

作者：郑丹郭章飞李晨忱马国仙董瑾郭强上海应用技术学院化学与环境工程学院上海200233 中国石油辽阳石化分公司炼油厂辽宁辽阳111003

设计了点状、蛇形和点蛇混合三种微型质子交换膜燃料电池（μPEMFC）阳极流场,模拟计算表明三种结构中点蛇混合结构更能有效协调燃料利用率与接触电阻之间的矛盾。利用微电子机械技术（MEMS）制备了两种点蛇混合阳极结构,组成自呼吸式... 详细信息

设计了点状、蛇形和点蛇混合三种微型质子交换膜燃料电池（μPEMFC）阳极流场,模拟计算表明三种结构中点蛇混合结构更能有效协调燃料利用率与接触电阻之间的矛盾。利用微电子机械技术（MEMS）制备了两种点蛇混合阳极结构,组成自呼吸式电池。实验研究发现,当点蛇混合结构的集流条由2增加到4时,流道总长度增大约一倍,氢气在流道内的流速明显增加,电池的极限电流密度和峰值功率密度分别提高18.56%和15.26%,在100~500 mA恒电流放电下,可节省燃料平均达6.18%。

关键词：阳极流场微型质子交换膜燃料电池结构设计燃料利用率 MEMS技术

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自呼吸式硅微机械氢燃料电池的阳极流场优化

半导体技术 2007年第9期32卷 816-819页

作者：郑丹倪卫其姜伟张熙贵张鲲夏保佳上海应用技术学院化学工程系上海200235 上海水产大学上海200090 中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050

利用硅微机电系统(MEMS)技术,设计并制作了点状、蛇形和点蛇混合三种微型氢/空气质子交换膜燃料电池(μPEMFC)阳极流场板,测定了三种不同阳极结构电池的极化和功率密度曲线、交流阻抗图及燃料利用率。结果表明,采用混合流场能有效协调... 详细信息

利用硅微机电系统(MEMS)技术,设计并制作了点状、蛇形和点蛇混合三种微型氢/空气质子交换膜燃料电池(μPEMFC)阳极流场板,测定了三种不同阳极结构电池的极化和功率密度曲线、交流阻抗图及燃料利用率。结果表明,采用混合流场能有效协调燃料利用和电池接触电阻的矛盾,其极限功率密度比点状和蛇形流场分别提高了12.8%和45.7%;在100～500 mA恒电流放电下,采用混合流场比点状和蛇形流场可节省燃料平均达14.3%和25.1%。

关键词：微型质子交换膜燃料电池硅微机械阳极流场燃料利用率 MEMS技术

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DMFC阳极流动阻力特性实验研究

工程热物理学报 2008年第11期29卷 1885-1889页

作者：丁玉栋廖强朱恂姬升阳李俊重庆大学工程热物理研究所重庆400044

本文借助可视化手段,针对平行流场和蛇形流场,实验研究不同放电电流密度、甲醇浓度、进料温度和入口流量对液相进料直接甲醇燃料电池阳极流场流动阻力特性的影响。结果表明:放电电流密度增加,流场压降随之增加,小电流放电,蛇型流场较平... 详细信息

本文借助可视化手段,针对平行流场和蛇形流场,实验研究不同放电电流密度、甲醇浓度、进料温度和入口流量对液相进料直接甲醇燃料电池阳极流场流动阻力特性的影响。结果表明:放电电流密度增加,流场压降随之增加,小电流放电,蛇型流场较平行流场压降增加慢,当超过某一值时,蛇型流场的压降增加较平行流场快;随甲醇浓度的提高,进出口压降均略有减小,且两种流场压降变化趋势一致;随进料温度升高,平行流场压降逐渐增大,蛇形流场压降变化较小;随着甲醇溶液流量增大,平行流场和蛇行流场压降均逐渐增大,平行流场增加缓慢,蛇形流场压降增加速度远大于平行流场.

关键词：直接甲醇燃料电池阳极流场阻力特性可视化研究

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μDMFC流场板润湿特性对气液输运的影响

电源技术 2018年第2期42卷 226-229,293页

作者：李苗苗时均浩南京航空航天大学机电学院设计工程系江苏南京210016

μDMFC流场沟道的微型化增加了流体在沟道中的流动阻力,容易使CO_2气泡堵塞沟道,不仅影响甲醇溶液的输运,而且还会阻碍甲醇向催化层传质,降低电化学反应效率,因此需要改善μDMFC阳极沟道的气液输运特性。基于VOF方法 ,采用计算流体力学... 详细信息

μDMFC流场沟道的微型化增加了流体在沟道中的流动阻力,容易使CO_2气泡堵塞沟道,不仅影响甲醇溶液的输运,而且还会阻碍甲醇向催化层传质,降低电化学反应效率,因此需要改善μDMFC阳极沟道的气液输运特性。基于VOF方法 ,采用计算流体力学软件FLUENT对μDMFC阳极沟道内的气液两相流进行数值模拟,研究双层流场板沟道侧壁面润湿特性对气液两相分布的影响。结果表明:单层流场板沟道内气液两相呈现分段流动现象,而双层流场板沟道内的气液两相呈现分层流动现象;双层流场板沟道内的含气率明显低于单层流场板沟道,并且压降特性前者优于后者;同时双层流场板沟道侧壁上层为疏水性,下层为亲水性时,不仅有利于气液输运,还有利于甲醇传质,为提升μDMFC的性能提供了一种有效的方法。

关键词：阳极流场润湿特性 μDMFC 气液输运数值模拟

直接甲醇燃料电池内甲醇渗透及阳极流道优化的数值研究

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直接甲醇燃料电池内甲醇渗透及阳极流道优化的数值研究

作者：吴宇靖大连理工大学

学位级别：硕士

直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)具备低温快速启动、燃料清洁环保、能量密度高、运行时间长等优点,有望未来在运输领域,便携式工具等方面得到广泛应用。本文以DMFC单电池为研究对象,应用有限元商业软件COMSOL Multiph... 详细信息

直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)具备低温快速启动、燃料清洁环保、能量密度高、运行时间长等优点,有望未来在运输领域,便携式工具等方面得到广泛应用。本文以DMFC单电池为研究对象,应用有限元商业软件COMSOL Multiphysics,分别建立了二维和三维DMFC两相流模型。通过数值模拟研究DMFC内部的甲醇渗透现象及解决方法,分析不同阳极流场DMFC的电化学和物理场特性,设计新型流场提升电池性能,为DMFC的应用提供研究依据。本文的研究工作如下:首先是建立一个完整的二维DMFC模型,模型考虑气液在流道和多孔介质的两相流、多组分传递、能量传输以及电化学反应。为解决甲醇渗透,设计在质子膜中间加入流动电极层(Flowing electrode channel,FEC),这类电池称为流动电极直接甲醇燃料电池(FEDMFC)。模拟结果表明,FEC有效的降低了电池的甲醇渗透现象。增加FEC溶液流速可以进一步降低甚至消除甲醇渗透;降低FEC溶液入口温度可以减少甲醇扩散通量,同时能够给膜电极带来冷却效果,使温度分布均匀,有利于提高DMFC的整体性能;降低FEC孔隙率同样能减少甲醇渗透通量。其次,研究了阳极流场对DMFC性能的影响。建立了阳极侧完整流场的三维DMFC模型,对四种流场结构(蛇形流场、平行流场、平行蛇形流场和三通道蛇形流场)的DMFC总体电化学性能和各物理场进行分析,包括极化曲线、功率密度、压力和速度云图、甲醇浓度分布、电流密度分布、流场气体体积分数图和温度云图。总结出各流场的优缺点,得出平行蛇形流场因为功率密度高、压降低、产物和热管理性能好,最适合作为DMFC阳极侧流场。最后设计了两种新型DMFC阳极流场。一种是在平行蛇形流场的基础上设计的波浪型3D流场。计算结果发现3D流场的设计加强了甲醇燃料在流道和扩散层之间的传质,降低了DMFC的浓度极化,电池性能得到提升。第二种是金属泡沫流场。通过对单通道金属泡沫流场的DMFC模拟,分别研究了金属泡沫亲水性和孔隙率的影响。结果表明采用亲水性能越好、孔隙率越高的金属泡沫,CO的排出能力和燃料分布均匀性越好,电池性能越好。

关键词：直接甲醇燃料电池流动电极甲醇渗透阳极流场 3D流场金属泡沫

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无膜微生物燃料电池性能特性与应用拓展研究

无膜微生物燃料电池性能特性与应用拓展研究

作者：李明重庆大学

学位级别：硕士

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,简称MFC）是一种可以将废水中有机物所蕴含的能量进行回收利用的新型可再生能源装置。它利用阳极室内的产电微生物将废水中的有机物降解并用于产电,从而达到污水处理与产电相结合的目的。微生物燃... 详细信息

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,简称MFC）是一种可以将废水中有机物所蕴含的能量进行回收利用的新型可再生能源装置。它利用阳极室内的产电微生物将废水中的有机物降解并用于产电,从而达到污水处理与产电相结合的目的。微生物燃料电池在处理废水的同时回收了能源,可较大程度降低污水处理的运行成本。目前微生物燃料电池性能仍较低,若能大幅提高微生物燃料电池性能,将大大改善传统的污水处理方式能耗大,成本高,只有投入没有产出的缺陷,进而使污染物处理成为一种有利可图的行业。无膜微生物燃料电池是目前微生物燃料电池研究的重要方向之一。目前,无膜微生物燃料电池的研究大多着重于阴阳极材料、电解质溶液方面的研究,而未针对阳极侧传质过程对电池的影响进行研究。本论文首先构建了无膜微生物燃料电池,研究了蛇形和交指型两种阳极流场型式对无膜MFC产电性能、生物膜生长状态、阳极性能和阴极性能的影响。在此基础上,本文将无膜微生物燃料电池技术与膜生物反应器技术相结合,构建了可处理有机废气的微生物燃料电池,从而实现了有机废气处理和产电的目的。本文研究成果如下:①提出并构建了带有蛇形和交指型阳极流场的两种新型无膜MFC。研究发现,在0.5mL/min的培养基流速下,以100Ω电阻进行培养,蛇形流场无膜MFC性能要优于交指型流场无膜MFC。蛇形无膜MFC的最大功率密度约高100mW/m,而最大电流密度约高500mA/m。实验发现,交指型流场MFC阴极侧电极表面被从阳极迁移过去的微生物所附着。从而使得交指型流场无膜MFC阳极腔室侧电极表面的生物膜厚度明显大于蛇形流场无膜MFC。这将导致电池内阻增大、阴极催化剂毒化,造成微生物燃料电池产电性能下降。②无膜型MFC中间腔室厚度对电池性能影响较大。当中间腔室厚度为2cm时,电池性能最佳,中间腔室厚度越大,电池内阻越大;而中间腔室厚度越小,阴极至阳极的氧气渗透量增加,这都导致无膜MFC性能的下降。③提出并构建了能够同时处理有机废气和废水的新型无膜微生物燃料电池,且实验验证了该MFC不仅可以有效降解挥发性有机废气,而且能够产生电能。通过电池的启动实验证实了阳极生物膜生长对有机废气降解和产电的重要性。实验表明,产电菌也可以生长在憎水表面,甲苯废气可以支持产电菌的生长。④可处理有机废气的无膜微生物燃料电池的性能实验表明,电池于100Ω电阻启动时其产电性能较差:其开路电压约为280mV,最大功率密度约为0.55mW/m,最大电流密度约为12.5mA/,当使用较大电阻5000Ω进行启动时,电池开路电压可达450mV,最大功率密度可达4.5mW/m,而最大电流密度可达40mA/m。⑤甲苯气体流速和浓度对电池的甲苯降解性能有较大影响。当甲苯气体浓度一定时,随着甲苯流速的增大,甲苯的降解量增大,但甲苯的降解效率降低。当甲苯流速一定时,随着甲苯浓度的升高,甲苯降解量先持续增加,而后基本维持在8g/mmin左右,但甲苯降解效率则先维持在70%左右,而后下降至50%。

关键词：微生物燃料电池阳极流场生物膜有机废气电池性能

基于VOF方法的μDMFC阳极沟道内气液输运特性研究

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基于VOF方法的μDMFC阳极沟道内气液输运特性研究

作者：耿骏南京航空航天大学

学位级别：硕士

微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC)由于其环境友好、结构简单、能量转换效率高、燃料储存携带方便等独特的优势,在便携式电子设备领域受到广泛关注。研究μDMFC阳极流场内气液输运特性,消除CO2气泡阻塞的... 详细信息

微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell,μDMFC)由于其环境友好、结构简单、能量转换效率高、燃料储存携带方便等独特的优势,在便携式电子设备领域受到广泛关注。研究μDMFC阳极流场内气液输运特性,消除CO2气泡阻塞的不利影响,增强反应物的输运和传质效率,是提高μDMFC输出性能的重要途径之一。本文首先从微孔上单气泡行为特性入手,建立了甲醇溶液通流条件下孔口单气泡脱离直径的数学模型,获得了单气泡的脱离直径随CO2气体速度、甲醇溶液速度和扩散层孔径的变化规律。分析结果表明:单气泡脱离直径随CO2气体速度和扩散层孔径的增大而增大,随甲醇溶液速度的增大而减小。此外,分析了沟道内气泡段的受力情况,建立了沟道内气泡段的运动模型。采用VOF方法研究了μDMFC阳极流场微沟道内CO2气泡的生长及脱离行为特性,分析了CO2气体生成速度、甲醇溶液速度、扩散层亲疏水性、扩散层孔径和扩散层微孔位置等参数对单气泡脱离行为特性的影响规律。采用VOF方法研究了μDMFC阳极流场微沟道内气泡段的运动特性,分析了CO2气体生成速度、甲醇溶液速度、沟道尺寸和截面深宽比对沟道内压降特性的影响规律,并结合采用分相流模型推导的沟道内压降的计算公式进行了数值模拟结果与理论分析结果对比验证。研究了截面形状对μDMFC阳极流场沟道内气液输运的影响。针对三角形、梯形、半圆形和矩形四种不同沟道截面形状,分别建立了定深宽尺寸和定横截面积两种情况下的沟道模型,分析了沟道截面形状对μDMFC阳极流场沟道内压降和含气率的影响。研究结果表明:三角形截面沟道内压降最大,含气率最低;矩形截面沟道内压降最小,含气率最高。因此,三角形截面沟道最有利于CO2气泡的排出,而矩形截面沟道最不利于气液输运。改变沟道亲疏水特性,完成了μDMFC阳极流场沟道内气液输运数值模拟,对比研究了不同亲疏水特性对沟道内压降和含气率的影响。研究结果表明:沟道亲水性越强越有利于CO2气泡的排出。在此基础上研究了沟道侧壁亲疏水性随高度变化的双层流场板沟道内的气液输运特性,得出上层为疏水性侧壁,下层为亲水性侧壁的双层流场板沟道最有利于气液输运和甲醇溶液的传质的结论。

关键词： μDMFC 阳极流场 CO2气泡 VOF方法数值模拟气液输运

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沟道截面形状对μDMFC气液输运的影响

电池 2018年第1期48卷 21-24页

作者：时均浩李苗苗南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

设计矩形、三角形、半圆形、梯形和倒梯形截面形状的相同水力直径沟道,基于流体体积方法进行微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)阳极流场沟道内气液输运数值模拟,研究截面形状对流场板沟道内含气率和压降特性的影响。单层流场板沟道中,矩形... 详细信息

设计矩形、三角形、半圆形、梯形和倒梯形截面形状的相同水力直径沟道,基于流体体积方法进行微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)阳极流场沟道内气液输运数值模拟,研究截面形状对流场板沟道内含气率和压降特性的影响。单层流场板沟道中,矩形截面沟道的含气率稳定在0.55且平均压降为750 Pa,与其他截面形状沟道相比,含气率适中且平均压降最小,适合作为优选方案;在相同截面形状下,双层流场板沟道中含气率比单层流场板沟道的含气率低约50%,平均压降也更低,其中三角形截面沟道内的含气率最低(小于0.2)且平均压降最小(不足200 Pa),可作为优选的截面形状。

关键词：阳极流场润湿微型直接甲醇燃料电池(μDMFC) 气液输运模拟