无膜微型燃料电池内流动特性及稳定性机理研究

随着微电子产品功能集成规模的提高，传统电池供能技术逐渐落后于日益增加的高能耗需求，近年来对微型燃料电池这种新型供能技术的研究受到了高度重视。无膜微型燃料电池是一种可在微流控芯片上运行的微尺度燃料电池，其概念自2002年首次提出以来，就备受关注且多集中于实验研究，对理论模型的研究工作鲜见发表。本项目将基于流体力学的原理和分析方法，结合电化学理论对无膜微型燃料电池内流体的流动特性进行研究。首先研究燃料和氧化剂溶液混合界面的稳定性及失稳机理，考虑两种溶液的粘度、密度、流动速度以及电势作用下带电离子电泳等因素对混合界面稳定性的影响，分析影响混合界面流动稳定性的关键因素和相应控制方法；其次，建立并完善无膜微型燃料电池三维多场耦合数学模型和数值仿真平台，对无膜微型燃料电池内的流动特性以及电池性能进行数值仿真，分析影响电池性能的控制参数，给出电池设计和优化方向，并通过实验进行验证。

本项目以微型燃料电池为主要研究对象，考虑电池槽道中溶液的流动、质量传输、电化学反应以及电极反应产生的非溶解性气体对无膜燃料电池性能的影响，提出在低/高电流密度工况下，反应产生的非溶解性气体分别起到降低/提高电池性能的作用。此外还分析了非溶解性气体存在情况下电池中的燃料泄露问题进行分析，指出在重力作用下，在电池微槽道内有二次流产生，进而提出无膜燃料电池设计过程中的有效长度概念。此外，在本项目中，对溶液分层流动中界面的稳定性进行了深入的研究，分析了多种不同流动情况下，牛顿流体和非牛顿流体界面流动在表面张力、界面切应力、表面活化剂以及流体属性等因素作用下的流动及其稳定性特性，深入探讨了影响流动特性的主要因素和可能的流动控制方法。研究发现，表面张力具有抑制短波扰动而增强长波扰动的特性；界面运动所引起的表面活化剂的输运，在一定程度上可以有效的抑制表面张力引起的不稳定性效应；流体的非牛顿效应，对界面的稳定性具有重要的影响，在一定参数情况下，与活化剂效应相互作用，可使流动的界面处于线性稳定状态。上述结果为进一步研究无膜燃料电池中燃料和氧化剂溶液界面流动的稳定性打下了基础。