亲疏水效应对微型直接甲醇燃料电池的影响.docVIP

  亲疏水效应对微型直接甲醇燃料电池的影 响# 刘晓为1，张宇峰1，王紫2** 5 10 15 20 25 30 35 40 （1. MEMS 中心，哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001； 2. 哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150001） 摘要：能否将阳极产物 CO2 有效地排出阳极微流道决定了微型直接甲醇燃料电池的性能。 本文采用 Lattice-Boltzmann 模型来模拟亲疏水沟道内的二相流体流动情况，考虑了液-气表 面张力，流体-固体相互作用和浮力。仿真结果显示，亲水沟道中 CO2 的排放速度比在疏水 沟道中快。为验证仿真结果，我们设计制造了有效面积 1.0 cm2 的微型直接甲醇燃料电池， 并进行了相应的测试。测试结果显示，亲水沟道改善了气体排放和甲醇供应状况，使得亲水 沟道的 μDMFC 的能量密度峰值比疏水沟道的 μDMFC 的能量密度高出 15.7%，而其最高电 流密度值低于疏水沟道的 μDMFC。 关键词：微型直接甲醇燃料电池，亲水沟道，气泡动态 中图分类号：TM911 Hydrophilicity effect on micro-scale flow of micro DMFC Liu Xiaowei1, ZHANG Yufeng1, Wang Zi2 (1. MEMS Center,Harbin Institute of Techonology,Harbin 150001; 2. Harbin Institute of Technology,Harbin 150001) Abstract: The effective removal of carbon dioxide (CO2) in the anode micro channels is critical to the performance of the micro direct methanol fuel cell (μDMFC). A Lattice-Boltzmann model coupled with liquid–gas surface tension, fluid-solid interaction and buoyancy force is adopted in this work to simulate the two-component flow with different hydrophilicity channels. The simulation results show that the emission speed of CO2 gas in the cell patterned with the hydrophilic channel wall is faster than that with the hydrophobic wall. In order to mutually validate the simulation results, a μDMFC with an active area of 1.0 cm2 is designed, fabricated, and tested. Data results show that with improved gas expelling and fuel supplying, the novel μDMFC with the hydrophilic flow field gets an increase of 15.7% in peak power density and a dramatically lowered polarization at high current density output. Key words: Micro direct methanol fuel cell, micro sized configuration, current collector 0 引言 ， 但当它的尺寸等比例缩小到微观水平，阳极氧化反应产生的 CO2 气泡会占据一半以上的阳 极流场，此现象在电流密度较高时尤为明显，由此产生了严重的浓差极化，并削减了电池的 性能。因此，阳极微流道内的 CO2 的有效排出对于流场和催化、扩散层之间的甲醇传质是 至关重要的[3]。 流道中的流体运动是包含了时间变化、非线性特点的复杂的三维现象。若采用传统的连 续性模型来解决两相微流动，就需要做过多的假设和简化。新颖的介观运动模型侧重于流体 分子的速度分布函数，可以通过分析微观物理量随时间和空间的演变，从而得到微流体的分 布 函 数 特 性 ， 因 此 可 以 准 确 地 描 述 为 流 动 的 传 质 [4-6] 。 Fei[7] 等 人 模 拟 了 全 角 度 L