[发明专利]一种微流体燃料电池多孔电极几何尺寸的设计方法

说明书

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。

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)：

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。