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摘 要

在本次模拟中，使用商业软件COMSOL Mutiphysics 5.4设计了三种不同的蛇形流场，分别为两个不同的八通道蛇形流场(sp-8-1和sp-8-2)和一个十六通道蛇形流场(sp-16)。通过查阅相应的文献资料，综合已有的DMFC阳极流场设计，确定了其对应的性能参数。通过对COMSOL Mutiphysics 5.4案例库的学习研究，确定了建立模型所需的物理场设置以及相应的边界条件。再针对不同的流场结构建立覆盖充分的自由网格，通过COMSOL自带的求解器得到DMFC中三个不同蛇形流场的压力场、速度场和局部电流密度分布图。通过对压力、速度和电流密度分布方面的对比，可以看出在DMFC阳极流场的设计中适当的使用较小的蛇形弯道可以有效提高甲醇在阳极扩散层中的扩散效率，也可以实现较高、较为均匀的局部电路密度分布，但是也要考虑到弯道对于压降的不良影响，又可能会造成反应物积累，导致燃料电池性能下降。

关键词：直接甲醇燃料电池，阳极流场，蛇形流场

Design and Simulation of DMFC Anode Flow Field with 100W Grade

Abstract

Three different serpentine flow fields COMSOL Mutiphysics 5.4 designed using commercial software in this simulation are two different eight-channel serpentine flow fields (sp-8-1 and sp-8-2) and one sixteen-channel serpentine flow field (sp-16). By consulting the relevant literature and synthesizing the existing DMFC anode flow field design, the corresponding performance parameters are determined. By studying the COMSOL Mutiphysics 5.4 case base, the physical field setting and the corresponding boundary conditions are determined. Again the pressure field, velocity field and local current density distributions of three different serpentine flow fields in the DMFC are obtained by COMSOL self-contained solver. By comparing the distribution of pressure, velocity and current density, it can be seen that the proper use of small serpentine bends in the design of DMFC anode flow field can effectively improve the diffusion efficiency of methanol in the anode diffusion layer, and also achieve a higher and more uniform local circuit density distribution, but also take into account the adverse effects of bends on the pressure drop, which may also cause reactant accumulation, leading to fuel cell performance.

Keywords: direct methanol fuel cell, anode flow field, serpentine flow field

目录

第一章、绪论 1

1.1、引言 1

1.2、直接甲醇燃料电池研究背景 2

1.3、关于DMFC阳极流场的研究现状 2

1.4、模拟方法以及研究目的 5

第二章、 物理模型 7

第三章、 建模描述 10

3.1、物理场选择和管理方程 10

3.1.1、Brinkman方程(Br)接口 10

3.1.2、浓物质传递(tcs)接口 11

3.1.3、边界常微分和微分代数方程(bodo)接口 11

3.2、边界条件 12

3.3、网格生成 12

第四章、模型求解 14

4.1、求解器配置 14

4.2、压力场和速度场 14

4.3、浓度场和局部电流密度分布 17

4.4、综合分析 18

第五章、结果与讨论 19

参考文献 20

致谢 23

1. 绪论
   1. 引言

众所周知，资源和能源问题一直是人类发展过程中不可逃避的问题。化石燃料的需求日益加剧，人们对于新能源的需求也迫在眉睫；同时，燃烧化石燃料所造成的环境问题和温室效应也是不可忽视的议题，应用环境有好的清洁燃料的呼声也一直居高不下。在这样的情况下，燃料电池成了解决当前问题的不二选择，燃料电池可以将燃料中的化学能直接转化成电能，在这样的前提下，燃料电池的理论效率必然出彩，事实上，燃料电池的理论效率确实可以接近100%，但是考虑到系统损耗等其他原因总体转换效率一般在45%-60%之间。同时，使用氢气和甲醇等可再生能源的燃料电池也可以实现环境友好和高效的资源利用。

事实上，关于燃料电池的研究一直是电池研究的重点，现在开发出的多种燃料电池已经初具成效，包括碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)。目前，已经投入使用的燃料电池设施，比如便携式发电系统和燃料电池电站正在逐渐增加，在电动汽车方面的应用也是目前的热门。人们已经逐渐认识到燃料电池巨大的应用前景，就比如直接甲醇燃料电池，各国的科研机构都对其展开了深入的研究。

1.2、直接甲醇燃料电池研究背景

直接甲醇燃料电池（DMFC）是极有应用前景的备用和辅助电源，尤其在1000W以内，DMFC是最有前景的中小型移动式长效电源。与传统电源相比，DMFC的理论能效/能量密度高（4800WHL），锂离子电池（350WHL）是当前便携式或家用电器的主要能量载体，而DMFC的能量密度是锂离子电池的15倍^[1]。同时，DMFC作为长效供电装置，只要补充足够的甲醇，就可以连续运行超过数千小时，而且不会因为使用寿命的增长出现性能衰减^[2]；而传统蓄电池依赖于外部电源，充一次电只能持续供电十几分钟至数十小时不等，使用寿命也远低于DMFC，在其使用寿命的最后阶段，同功率供电时间甚至只有初期50%不到。在燃料方面，当前绝大部分发电装置都以化石能源作为燃料，而DMFC使用甲醇作为燃料，甲醇作为可再生能源，相较于清洁能源氢气更加安全，而且在室温状态下，甲醇为液体，也便于处理、储存与运输。^[3]在燃料电池运行过程中，反应产物除了水以外另一个是CO₂，是需要减少排放的的温室气体，但是如果甲醇最初是由木本生物质生产的，那么生产甲醇所吸收的CO₂和甲醇燃料电池排放的CO₂就可以达到平衡，从而实现环境友好。（Sorenson，2010a）^[4]

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