CN108682885B - 一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，属于燃料电池技术领域，包括如下步骤：步骤1：根据微流体燃料电池的操作条件，确定多孔电极的厚度H，多孔电极的厚度H应当与操作条件相匹配；步骤2：令微流体燃料电池中间流道的高度与多孔电极的厚度一致，根据中间流道的宽度W0及流道内流体的平均流速U，确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L；步骤3：采用多物理场仿真的方法确定微流体燃料电池多孔电极的宽度W；步骤4：按照所确定的多孔电极几何尺寸裁出相应多孔电极。本发明可有效避免副反应的发生，并在合理控制电池成本的同时提高微流体燃料电池的运行效率。

Description

一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法
技术领域
本发明涉及一种电池多孔电极几何尺寸的设计方法，特别是涉及一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，属于燃料电池技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展，能源短缺与环境污染的问题日益严峻。微流体燃料电池能够将燃料的化学能直接转换成电能，且基于微流动的层流特性使燃料与氧化物流体自然分层，无需使用质子交换膜，具有发电效率高、无污染、制造简单、成本低等优点，在便携式电子产品中具有良好的应用前景。然而，由于微流体系统中缺少对流作用，电极活性中心上的反应物在电化学反应中被不断消耗却无法得到有效补充，电极活性中心上传质受限的问题严重制约了微流体燃料电池的电池性能。在目前强化电极活性中心上物质传输的方法中，引入多孔电极的微流体燃料电池展现了较大的输出功率。相关研究发现，多孔电极的几何尺寸对微流体燃料电池的性能有着重要影响。合理设计微流体燃料电池多孔电极的几何尺寸，对于提高微流体燃料电池的运行效率，具有重要意义。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，避免副反应发生，合理控制电池成本的同时，提高微流体燃料电池的运行效率。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据微流体燃料电池的操作条件，确定多孔电极的厚度H，多孔电极的厚度H应当与操作条件相匹配；
步骤2：令微流体燃料电池中间流道的高度与多孔电极的厚度一致，根据中间流道的宽度W0及流道内流体的平均流速U，确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L；
步骤3：采用多物理场仿真的方法确定微流体燃料电池多孔电极的宽度W；
步骤4：按照所确定的多孔电极几何尺寸厚度H、长度L和宽度W，裁出具有相应尺寸的多孔电极。
进一步的，多孔电极材料为具有固定厚度的碳纸，多孔电极的阳极反应物为溶解了二价钒的硫酸溶液，多孔电极的阴极反应物为溶解了五价钒的硫酸溶液。
进一步的，在选择碳纸类型时，碳纸的厚度与流体流速和反应物浓度成正比；即流体流速较大或反应物浓度较高，选择厚度较大的碳纸；流体流速较小或反应物浓度较小，选择厚度较小的碳纸。
进一步的，步骤2中，确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L，避免阳极反应物扩散到阴极或阴极反应物扩散到阳极而产生寄生电流。
进一步的，步骤2中，在确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L时，在保证下游的反应物不会扩散到对面电极上而产生寄生电流，增大L使反应物充分反应，其满足公式(1)：
Figure BDA0001621121770000021
其中，D是反应物的扩散系数。
进一步的，步骤3中，采用多物理场仿真的方法确定微流体燃料电池多孔电极的宽度W，使微流体燃料电池的输出功率与多孔电极的材料成本达到适当平衡。
进一步的，步骤3中，多物理场包括流场、组分场、电场和电化学反应。
进一步的，步骤3中，多物理场仿真所采用的模型采用有限元法进行计算。
进一步的，有限元法进行计算的仿真软件采用COMSOL Multiphysics。
本发明的有益技术效果：按照本发明的微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，本发明提供的微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，可有效避免副反应的发生，并在合理控制电池成本的同时提高微流体燃料电池的运行效率。
附图说明
图1为按照本发明的微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法的一优选实施例的电极几何结构俯视图；
图2为按照本发明的微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法的一优选实施例的电极几何结构主视图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，本实施例提供的一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据微流体燃料电池的操作条件(如流体流速、反应物浓度等)，确定多孔电极的厚度H，多孔电极的厚度H应当与操作条件相匹配；
步骤2：令微流体燃料电池中间流道的高度与多孔电极的厚度一致，根据中间流道的宽度W0及流道内流体的平均流速U，确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L，避免阳极反应物扩散到阴极或阴极反应物扩散到阳极而产生寄生电流；
步骤3：采用多物理场仿真的方法确定微流体燃料电池多孔电极的宽度W，使微流体燃料电池的输出功率与多孔电极的材料成本达到适当平衡；
步骤4：按照所确定的多孔电极几何尺寸，裁出具有相应尺寸的多孔电极。
在本实施例中，所述多孔电极材料为具有固定厚度的碳纸，所述阳极反应物为溶解了二价钒的硫酸溶液，所述阴极反应物为溶解了五价钒的硫酸溶液，在选择碳纸类型时，若流体流速较大或反应物浓度较高，应当选择厚度较大的碳纸；若流速较小或反应物浓度较小，应当选择厚度较小的碳纸。
在本实施例中，在确定多孔电极沿流道方向上的长度L时，适当增大L有助于反应物充分反应，但同时应当注意保证下游的反应物不会扩散到对面电极上而产生寄生电流，具体有：
Figure BDA0001621121770000041
其中，D是反应物的扩散系数。
在本实施例中，所述多物理场主要包括流场、组分场、电场以及电化学反应等，所述多物理场仿真所采用的模型采用有限元法进行计算，仿真软件采用COMSOLMultiphysics。
在本实施例中，所确定的多孔电极宽度W应当在保证微流体燃料电池输出功率达到合理水平的同时尽量减小多孔电极的材料成本。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，本实施例提供的微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，可有效避免副反应的发生，并在合理控制电池成本的同时提高微流体燃料电池的运行效率。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据微流体燃料电池的操作条件，确定多孔电极的厚度H，多孔电极的厚度H应当与操作条件相匹配；
步骤2：令微流体燃料电池中间流道的高度与多孔电极的厚度一致，根据中间流道的宽度W0及流道内流体的平均流速U，确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L，在确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L时，在保证下游的反应物不会扩散到对面电极上而产生寄生电流，增大L使反应物充分反应，其满足公式(1)：
Figure FDA0002926357000000011
其中，D是反应物的扩散系数；
步骤3：采用多物理场仿真的方法确定微流体燃料电池多孔电极的宽度W，多物理场包括流场、组分场、电场和电化学反应；
步骤4：按照所确定的多孔电极几何尺寸厚度H、长度L和宽度W，裁出具有相应尺寸的多孔电极。
2.根据权利要求1所述的一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，其特征在于，多孔电极材料为具有固定厚度的碳纸，多孔电极的阳极反应物为溶解了二价钒的硫酸溶液，多孔电极的阴极反应物为溶解了五价钒的硫酸溶液。
3.根据权利要求2所述的一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，其特征在于，在选择碳纸类型时，碳纸的厚度与流体流速和反应物浓度成正比；即流体流速较大或反应物浓度较高，选择厚度较大的碳纸；流体流速较小或反应物浓度较小，选择厚度较小的碳纸。
4.根据权利要求1所述的一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，其特征在于，步骤2中，确定微流体燃料电池多孔电极沿中间流道方向上的长度L，避免阳极反应物扩散到阴极或阴极反应物扩散到阳极而产生寄生电流。
5.根据权利要求1所述的一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，其特征在于，步骤3中，采用多物理场仿真的方法确定微流体燃料电池多孔电极的宽度W，使微流体燃料电池的输出功率与多孔电极的材料成本达到适当平衡。
6.根据权利要求1所述的一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，其特征在于，步骤3中，多物理场仿真所采用的模型采用有限元法进行计算。
7.根据权利要求6所述的一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法，其特征在于，有限元法进行计算的仿真软件采用COMSOL Multiphysics。
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