無膜微型燃料電池內流動特性及穩定性機理研究

《無膜微型燃料電池內流動特性及穩定性機理研究》是依託清華大學，由彭傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：無膜微型燃料電池內流動特性及穩定性機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：彭傑
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著微電子產品功能集成規模的提高，傳統電池供能技術逐漸落後於日益增加的高能耗需求，近年來對微型燃料電池這種新型供能技術的研究受到了高度重視。無膜微型燃料電池是一種可在微流控晶片上運行的微尺度燃料電池，其概念自2002年首次提出以來，就備受關注且多集中於實驗研究，對理論模型的研究工作鮮見發表。本項目將基於流體力學的原理和分析方法，結合電化學理論對無膜微型燃料電池內流體的流動特性進行研究。首先研究燃料和氧化劑溶液混合界面的穩定性及失穩機理，考慮兩種溶液的粘度、密度、流動速度以及電勢作用下帶電離子電泳等因素對混合界面穩定性的影響，分析影響混合界面流動穩定性的關鍵因素和相應控制方法；其次，建立並完善無膜微型燃料電池三維多場耦合數學模型和數值仿真平台，對無膜微型燃料電池內的流動特性以及電池性能進行數值仿真，分析影響電池性能的控制參數，給出電池設計和最佳化方向，並通過實驗進行驗證。

結題摘要

本項目以微型燃料電池為主要研究對象，考慮電池槽道中溶液的流動、質量傳輸、電化學反應以及電極反應產生的非溶解性氣體對無膜燃料電池性能的影響，提出在低/高電流密度工況下，反應產生的非溶解性氣體分別起到降低/提高電池性能的作用。此外還分析了非溶解性氣體存在情況下電池中的燃料泄露問題進行分析，指出在重力作用下，在電池微槽道內有二次流產生，進而提出無膜燃料電池設計過程中的有效長度概念。此外，在本項目中，對溶液分層流動中界面的穩定性進行了深入的研究，分析了多種不同流動情況下，牛頓流體和非牛頓流體界面流動在表面張力、界面切應力、表面活化劑以及流體屬性等因素作用下的流動及其穩定性特性，深入探討了影響流動特性的主要因素和可能的流動控制方法。研究發現，表面張力具有抑制短波擾動而增強長波擾動的特性；界面運動所引起的表面活化劑的輸運，在一定程度上可以有效的抑制表面張力引起的不穩定性效應；流體的非牛頓效應，對界面的穩定性具有重要的影響，在一定參數情況下，與活化劑效應相互作用，可使流動的界面處於線性穩定狀態。上述結果為進一步研究無膜燃料電池中燃料和氧化劑溶液界面流動的穩定性打下了基礎。