研制新型µDMFC电池阴极——结构设计，稳态分析 提出新型空气自呼吸阴极流场结构——解决阴极传质效率低及“水淹”问题 阳极模型建立与仿真分析 ——结构优化
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3.1µDMFC的二维、两相、稳态、全电池传质模型 ：
• 扩散层（多孔介质）内两相物质传输 • 流道内两相物质传输 • 质子交换膜内的液相物质传输 • 电子和质子传输 • 电化学反应动力学 • 热量传输
式微通道与圆孔相通并构成“轮辐单元”，之间通过延长通道连接形成双路气流。
正面
背面
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模型建立
模型计算区域
µDMFC的三维、两相、自呼吸式阴极传质模型（针对一个典型单元）
模型控制方程
• 多孔介质层的动量传输（达西定律） • 电子和质子传输
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MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
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百叶窗结构
多孔结构
电流密度增大，性能提高
提高催化层的传质速度
催化层氧化剂质量分数提高，从而 增强氧化剂传质。分布更均匀
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3.2.2新型空气自呼吸阴极流场结构
空气自呼吸式µDMFC是目前研究的热点，但存在传质效率低、阴极“水淹”等问 题。针对上节中传统直孔式阴极由于阴极“水淹”而产生的性能衰减问题，提出一 种改进的新型“轮辐”式空气自呼吸阴极流场结构
结构设计
背面（空气接触面）与直孔式结构相同，正面（电极接触面）具有一定数量的辐条
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模型建立
质子交换膜液相物质传输（甲醇渗透和水渗透）
（单相物质，无需修正 ）
ip eff m i • 甲醇传质方程（扩散和电渗）—— N MeOH ,cross DMeOH C n , mem MeOH , mem d F 6F
• 液相水传质方程（PEM完全浸润，无浓度变化，忽略扩散项）—— N H O ,cross nd i 2
t
（N-S方程修正 ）
• 气相物质和液相水连续性方程
(1 g ug ) 0
H 2O t


H 2O l
u 0

1.5 eff eff • 氧气物料守恒方程—— DO C C u 0 （液体体积分数 Ф修正） D D 1 O O g O O 2 2 2 2 2

H+ e- CO2
H2O

Methanol
（1）极板材料的选择 （2）阴阳极结构的设计 （3）膜电极(MEA)的传质 （4）气液两相流,甲醇渗透等理论研究
Anode
MEA
Cathode
前期分析 后期验证
COMSOL Multiphysics
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主要内容
微型DMFC研究背景及应用
不同电流密度
不同工作温度 不同阳极流速
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模型结果分析
µDMFC单体结构优化
• 极板材料
热导率高的极板材料，可以保证电池获得 更均匀的内部温度分布
内部温度分布
• 金属网
甲醇渗透现象减轻，电池 效率提高
thvolt fuel
G Vcell ia 100% H Ecell ic
0.5
1.5 1.5 Dieff ,l Di ,l s
1.5 Dieff 1 s , g Di , g 1.5
• 饱和气相压强—— pc pg pl cos c / K J s
（有效扩散系数）
2 3 （亲水性） 0 c 90o 1.417 1 s 2.120 1 s 1.263 1 s J s o o 2 3 90 180 1.417 s 2.120 s 1.263 s c （憎水性）
电子和质子传输（扩散层---电子传导，PEM---质子传导）
• 电子守恒方程—— s ,eff s 0 • 质子守恒方程—— m,eff m 0
F
电化学动力学模型
ref 0 Cm,acl Cm F ref Cm , acl a • 阳极反应模型—— i im s ref exp( a ) ref C RT 1 Cm,acl Cm acl m CO2 ,ccl c F ref • 阴极反应模型（一级反应）—— ic iO 1 s exp( c ) ref 2 CO RT ccl 2 • 渗透电流密度—— i p ic i
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模型建立
多孔介质（阴、阳极扩散层）的两相物质传输
• 液相物质和气相物质连续性方程
( l ul ) Sl
( g ug ) S g
• 液相物质和气相物质动量守恒方程
（Darcy 定律， 液相饱和度s修正）
ul
ug
Kkrl
Kkrg
l
pl
pg

ref Cm 0.1mol / L
（Tafel经验公式）
热量传输
• 阳极催化层产生热量—— qacl ia (a
• 阴极催化层产生热量—— qccl
H a Ga ) 6F H c Gc H a Ga ic (c ) (ic ia ) 4F 6F
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2010年中国区用户年会
微型直接甲醇燃料电池结构设计 与分析
苑振宇
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2010.10
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主要内容
微型DMFC研究背景及应用
微型DMFC工作原理
COMSOL在微型DMFC分析设计中应用 结语
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一.微型DMFC研究背景及应用
随着集成电子技术、MEMS技术的高速发展，高度集成的微型 武器系统与便携式电子产品对高能量密度微能源需求愈来愈迫切。
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建立了µDMFC二维两相传质模型：
• 模型的计算结果与实验结果基本吻合
• 甲醇浓度、工作温度对电池极化过程和阳极甲醇传质影响明显，其中权重
因素甲醇渗透和浓差极化存在相互制约关系 • 电流密度、阳极流速和工作温度对阳极流道内CO2气体含量有一定影响
• 极板材料需要具有良好的热导率 • 采用金属网可以提高电池性能和效率 •存在的问题： CO2气体含量的分析
（Leverette函数）
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模型建立
阳极流道两相物质传输（提出漂移流模型）
• 液相物质动量守恒方程——
l ul l ul ul pl l ul l g （N-S方程修正 ） t 3 Cd 16 CO2气体速度—— ug ul uslip l uslip uslip pl Cd 4 db Reb
• 液相物质和CO2气体连续性方程
(l ul ) 0
1 CO2 t

1
（直径小于1mm的小尺寸气泡 ）
CO2
ug 0

eff eff • 甲醇物料守恒方程—— DMeOH CMeOH CMeOH ul 0 DMeOH DMeOH 1.5 （液体体积分数Ф修正）
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实验验证
在2M和0.5ml/min的条件下,百叶窗的最大功率密度为19.7 mW/cm2 传统结构最大功率密度为16.8 mW/cm2.与仿真结果基本吻合.
文章发表于international journal of hydrogen energy 35 ( 2010 ) 56385646(IF=3.945)
krl s3
krg 1 s
3
（相对渗透率）
g
• 液相物质和气相物质物料守恒方程
（Bruggemann模型修正）
Dieff ,l Ci ,l Ci ,l ul Si ,l Dieff , g Ci , g Ci , g ug Si , g
微型DMFC工作原理
COMSOL在微型DMFC分析设计中的应用 结语
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二.微型DMFC工作原理
阳极: 阴极:
O2
CH3OH H 2O CO2 6H 6e
3 O2 6 H 6e 3H 2O 2
总反应:
3 CH 3OH O2 CO2 2H 2O 2
工作温度的影响
• 温度升高，甲醇渗透加剧
• 温度升高，电池性能提升
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模型结果分析
阳极流道内CO2气体含量
• 电流密度与工作温2气体排放速度加快
• 以上结论与Yang[1]和Liao[2]等人可视化观测结论相符
[1] H. Yang, T. S. Zhao, Q. Ye. J. Power Sources, 2005, 139: 79-90 [2] Q. Liao, X. Zhu, X. Y. Zheng, et al. J. Power Sources, 2007, 171: 644-651
韩国成均馆大学实现以 SU-8 感光胶为极板材料的微型直 接甲醇燃料电池，最大功率 密度达到8mW/cm2
西班牙国家微电子中心完 成了硅基被动式微型直接 甲醇燃料电池，最大功率 密度达到12mW/cm2
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哈尔滨工业大学MEMS中心研究成果
有效面积0.64cm2，室温下开路电压达到 520mV，最大输出功率密度为5.9mW/cm2
微型DMFC工作原理
COMSOL在微型DMFC分析设计中的应用 结语
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三.COMSOL在微型DMFC分析设计中的应用
针对目前传质理论与阴阳极结构技术上的关键问题 ，开展以下工作 3.1建立µDMFC二维两相传质模型——分析内部传质特性，优化电池结构