具有创新双区孔隙结构的纸质微流控燃料电池：一项数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Paper-based microfluidic fuel cell with innovative dual-zone pore structure, a numerical investigation

　　

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  为基于纸的微流控燃料电池（PMFC）建立了一个数值模型。
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  首次研究了纸的孔隙结构对PMFC性能的影响。
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  最优孔隙率、孔径和曲折因子分别为40%、11 μm和1.5。
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  阳极和阴极在孔隙结构需求上存在不可调和的冲突。
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  提出并验证了一种双区孔隙结构以解决该冲突。

引言

燃料电池技术因其高效、清洁的能量转换能力而受到广泛关注。然而，目前其实用化仍受限于一系列挑战，包括膜电解质的成本高昂、热与水管理复杂以及膜降解等问题[1]。2002年，Ferrigno等人[2]提出了一种低成本微燃料电池技术——微流控燃料电池（MFC），其中采用两种液态电解质同时承担反应物输送与电极隔离功能。由于通道尺寸极小，两种液态电解质可在低雷诺数下呈层流状态流动，从而免去了昂贵的膜电解质，显著降低成本[3]。此外，该设计天然避免了与膜相关的降解问题，并具备高度简化的热与水管理系统[4]。同时，液态电解质使得反应物种类和电解质pH的选择十分灵活，形成一个兼容性极高的电化学平台，具有广泛的应用前景。然而，大多数MFC仍依赖外部泵来输送液态电解质，这无疑增加了整体系统的体积和复杂性[5]。为解决该问题，Esquivel等人[6]于2014年提出了一种基于纸的微流控燃料电池（PMFC），其以纤维素纸作为MFC的基底。纸内部的孔隙结构可实现电解质的毛细流动，无需外部泵送。该设计显著简化了燃料电池系统，并提升了其便携性和灵活性[7]，尤其适用于为生物传感器[8]和层析检测阵列[9]供电。

近年来，围绕PMFC开展了大量实验研究，重点关注电池结构、反应物种类和纸基底。在电池结构方面，典型的PMFC采用Y形[10]或条带状[11]设计，主要由纸基底、吸收垫、两个电极和两个集流板组成。针对纸基底中质量传递效率低的问题，Wen等人[12]提出了一种新型电池结构，在阳极流道中设置了微孔阵列，使峰值功率密度提高了41.2%。此外，Galvan等人[13]改进了阴极和集流板等关键部件，通过串联连接为小型设备提供有效供电。在燃料种类方面，PMFC拥有广泛的应用选择，包括甲醇[14]、乙醇[15]、维生素C[16]、葡萄糖[17]、氢气[18]、水合肼[19]、甲酸[20]、乙二醇[21]、过氧化氢[22]、钒[23]甚至有机燃料[24]。这种广泛的燃料适应性使PMFC能够高效利用多种资源发电，在废弃物利用和便携式电子设备方面展现出巨大潜力。在纸基底方面，Rao等人[25]、[26]在微流控通道和吸收垫中均采用了特定等级的Whatman纤维素纸，从而提升了开路电压和功率密度等性能指标。Wang等人[27]利用光热模块调控纸基微流控通道中的毛细流动，使PMFC的功率输出提高了7倍。与此同时，Shen等人[28]通过对比四种不同商业滤纸，展示了纸孔隙率对PMFC性能的重要影响，发现孔径越大流量越高，从而功率密度也更大。

受其尺寸的限制，上述实验研究通常聚焦于PMFC的宏观电池性能，而对微孔内部的毛细流动、离子传导和质量传递等微观现象鲜有涉及。相比之下，数值模拟提供了一种有效的途径来深入探究这些现象，从而更加精确、全面地分析支配PMFC性能的内在机制[29]。Sadeghi等人[30]建立了二维PMFC模型，并基于建模结果提出了一种优化设计。通过使用高比表面积的碳纸作为电极、用垫片材料填充空隙，并增加纸基底和电极的横向宽度，优化后的PMFC表现出更长的运行时间、更高的功率输出以及更优的能量转换效率。Ouyang等人[31]建立了三维PMFC模型，分析了电极间距、电极与入口距离、纸基底厚度和电极长度对燃料分布和功率输出的影响。他们还研究了纸张折叠方式以及纤维素纤维材料吸水能力对PMFC性能的影响[32]。此外，他们开发了二维两相PMFC模型，用于揭示两相毛细流动特性并验证潜在的气体去除方法[33]。近期，Dong等人[34]建立了一种采用多电极阵列设计的PMFC模型，并证明增加电极数量是提高PMFC燃料利用率和功率输出的有效方法。此外，Yang等人[35]采用了一种与数据驱动代理模型相结合的多物理场方法，优化了PMFC的电极构型、隔槽几何形状和流道布局，显著降低了其浓差和欧姆损失。尽管取得了上述成果，但目前PMFC模型仍主要聚焦于宏观电池结构的优化，据我们所知，纸基底的内部微孔结构从未被研究过，而该结构本应对内部毛细流动、离子传导和质量传递现象产生根本性影响，并最终决定PMFC的性能。

基于此，本研究建立了一个具有可调孔隙结构参数（孔隙率、孔径和曲折因子）的PMFC三维数值模型。首次定量评估了这些关键孔隙参数对电池性能的影响，并揭示了其内在的流体动力学和质量传递机制。在此基础上，针对阴极和阳极不同的质量传递需求，设计了一种新型纸基底双区孔隙结构，从而进一步优化了PMFC的功率输出。

章节摘要

假设条件

在兼顾精度要求与计算效率的前提下，本研究在全面梳理现有仿真方法的基础上，对PMFC模型作出以下若干假设：

• 1.
  将流体视为连续、不可压缩且层流的介质，其依据是微流控系统较低的雷诺数[36]。
• 2.
  假定电池在恒温条件下运行，忽略微小温度波动对反应动力学的影响[37]。
• 3.
  两个电极和电解质均表现出

网格无关性检查与模型验证

图2a展示了本研究中的网格配置。电极部分采用结构化六面体网格，其余计算区域则采用自由四面体网格。随后进行了网格无关性检查。如图2b所示，将网格数从11,192逐步增加到30,886，计算所得的最大功率密度逐渐趋于平稳，且当

结论

为探究纸基底孔隙结构对PMFC性能的影响，本研究以Esquivel等人[6]的实验为基础，建立了一个可靠的PMFC数值模型。同时提出了一种创新的双区孔隙结构，以解决阳极和阴极不同的质量传递需求。通过对孔隙特性进行全面的参数研究，主要结论归纳如下：

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  孔隙参数的变化显著

CRediT作者贡献声明

Jiaxin Liang：起草初稿、可视化、调研、数据整理。Haochen Gu：验证、方法学、调研。Xinhai Xu：监督指导、资源提供、方法学。Mingming Zhang：监督指导、资源提供、方法学。Michael K.H. Leung：论文审阅与修改、形式化分析。Meng Ni：论文审阅与修改、形式化分析。Yifei Wang：论文审阅与修改、监督指导、项目管理、经费获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金委员会（52206240）、广东省科学技术厅（2023A1515012947、2023QN10L629）和深圳市科技创新委员会（JCYJ20240813105115021、SGCX20250526161259001）的支持。

Jiaxin Liang|Haochen Gu|Xinhai Xu|Mingming Zhang|Michael K.H. Leung|Meng Ni|Yifei Wang