亲水效应提升微型甲醇燃料电池性能：模拟与实验验证

本篇论文深入探讨了亲疏水效应对微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)性能的影响。作者刘晓为和张宇峰，以及合作者王紫，基于高校博士点基金项目——新型被动式微型直接甲醇燃料电池的研究，重点关注了阳极微流道中二氧化碳(CO2)的有效排放对于电池效率的关键作用。他们利用Lattice-Boltzmann模型进行数值模拟，该模型考虑了液-气表面张力、流体-固体相互作用以及浮力等因素，以模拟在亲水和疏水微通道内的二相流体流动特性。 通过模拟，他们发现，在亲水微通道中，CO2的排放速度相较于疏水通道更快。这表明亲水性表面能够更有效地促进气体扩散和排除，从而提高燃料电池的工作效率。为了验证这些理论预测，他们设计并制造了一款有效面积为1.0平方厘米的微型直接甲醇燃料电池，进行了实验测试。实验结果显示，与疏水微通道相比，采用亲水通道的μDMFC表现出显著优势，其能量密度峰值提升了15.7%，显示出亲水性对μDMFC性能的提升作用。 然而，尽管亲水通道提高了气体排放，但其最高电流密度值却略低于疏水通道的μDMFC。这可能是因为亲水性对催化剂层的反应动力学产生了一定程度的影响，或者与微通道内流速分布有关。这项研究强调了微观尺度上材料润湿性对燃料电池性能优化的重要性，为改进μDMFC的设计提供了有价值的见解，特别是在追求更高能效和稳定性的同时，需平衡不同因素的影响。