一种新型结构微流体燃料电池的设计及其数值计算和测试研究

论文摘要

微型燃料电池本身固有的高功率和高能量密度,使得微型燃料电池成为下一代微型设备的理想电源。然而,小型化传统的燃料电池以获得微型电源的方法遇到了挑战。最近,一种基于微流体微型实验室装置的新颖燃料电池结构对于解决上述问题表现出巨大的潜力。这种新颖的燃料电池即微流体燃料电池。本文在国家自然科学基金项目:超薄金属双极板的树状分形表面成形机理研究(项目编号51175472)和浙江省杰出青年科学基金(项目编号:R1111149))的资助下,从理论分析、数值计算和电池制作实验等方面入手,对提出的新型结构的微流体燃料电池进行了分析对比和验证等研究。结果显示,该结构的微流体燃料电池与目前已公布发表的结构相比,有着不错的性能表现,并且拥有一些独特的优势。本文的主要工作如下:(1)从传统微流体燃料电池普遍存在的边界耗尽层和交叉扩散的两个主要缺点入手,设计出一种新型微流体燃料电池结构,进行有针对性的解决。(2)进行了电池在恒温稳态下的单相数值计算。通过电池工作过程的理论分析,建立三维数值模型。主要对不同进口流量下电池的性能表现进行数值计算,得到不同工况下电池内部物质、压力速度场和电场的分布,解释了电池在控制交叉扩散和边界耗尽层上的优势;计算也给出了电池性能的量化评价手段,包括极化曲线、功率密度和燃料的利用率。(3)基于光刻技术制作加工电池,进行性能测试研究。对电池进行了不同进口流量和不用物质浓度的性能表现实验,得到极化曲线和功率密度曲线,将其与数值计算结果相比较,比较异同,分析其可能的原因,提出改善措施。在本文的电池结构中,物质通过多进口、以对流的形式向多孔反应区域的输送,不仅加强了物质的传输,而且使得物质平均分布,有效利用反应区域提升电池性能。细化和增加进口流道,优化操作条件等都是有利于电池性能的提升。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微型燃料电池
• 1.3 微流体燃料电池
• 1.3.1 微流体燃料电池原理
• 1.3.2 微流体燃料电池国内外发展现状
• 1.4 本文主要研究目标和内容
• 1.4.1 论文的研究目标
• 1.4.2 论文的研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 新型微流体燃料电池的结构设计
• 2.1 微流体燃料电池主要部件
• 2.2 新型微流体燃料电池结构的设计
• 2.2.1 新型结构微流体燃料电池工作过程
• 2.2.2 新型结构微流体燃料电池设计要点
• 2.3 本章小结
• 第3章 新型结构微流体燃料电池性能的数值计算
• 3.1 基本假设
• 3.2 控制方程
• 3.2.1 流场方程
• 3.2.2 传质方程和电化学方程
• 3.2.3 求解过程
• 3.3 数值计算精度验证
• 3.4 流场分布情况
• 3.5 燃料交叉混合和浓度分布
• 3.6 极化曲线和功率密度
• 3.7 燃料利用率
• 3.8 本章小结
• 第4章 电池的加工和实验
• 4.1 微流体燃料电池电工概述
• 4.2 新型微流体燃料电池的加工制作
• 4.2.1 制作微通道阳模
• 4.2.2 制作PDMS流道层
• 4.2.3 电池成型
• 4.3 电池性能测试
• 4.3.1 测试平台与仪器介绍
• 4.3.2 测试结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果