直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)是一种将甲醇氧化反应的化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有结构简单、清洁环保、理论能量密度高、燃料的存储和运输便利等优点,在便携式移动设备和交通运输等领域具有广阔的应用前景。然而,功率密度低、能量转化效率低、催化剂毒化等问题严重影响了 DMFC的商业化进程。为了提高电池的功率密度和能量转化效率,充分发挥催化剂固有的反应能力,目前已有大量学者分别对系统运行参数、极板几何参数与膜电极参数的优化设计做了大量研究,但是没有考虑到不同类别参数对DMFC性能的耦合影响,对DMFC性能的提升有一定局限性。本文基于实验综合研究了系统运行参数、极板几何参数与膜电极参数对DMFC性能的耦合影响,开展了 DMFC多类别参数的协同建模与参数优化设计,并利用CFD数值模拟揭示了 DMFC内部的流动特性。(1)搭建了一个多参数可调的DMFC性能实验平台,平台由DMFC单电池和辅助系统构成。设计了 100组综合考虑系统运行参数、极板几何参数和膜电极参数的实验。系统运行参数包括甲醇浓度、温度、甲醇和空气流速;极板几何参数上,为适应电池的不同形状的需求,在等长度蛇形流道的基础上设计了外轮廓为圆形的变长度蛇形流道(文中分别简称方形极板和圆形极板),以流道数量作为几何参数;膜电极参数包括阴极催化剂载量和质子交换膜厚度。根据DMFC的工作特性,制定了膜电极的活化方法、极化曲线和阴极二氧化碳浓度的测量方法。(2)以极化曲线和能量转化效率作为DMFC性能评价指标,分析了系统运行参数、极板几何参数和膜电极参数对DMFC性能的耦合影响。基于径向基函数方法建立了 DMFC的性能模型,并在模型的基础上运用经典寻优算法进行了参数优化。结果表明,基于径向基函数的DMFC多类别参数协同模型的寻优结果,有效提高了 DMFC的能量转化效率。(3)建立了 DMFC的CFD仿真模型,分析了圆形极板和方形极板下电池内部的速度分布、压力分布、甲醇浓度分布和电流密度分布。结果表明,蛇形流道的相邻流道之间存在明显的压力差,压力差使得脊下区域流动速度高于流道下区域,最终导致催化层的电流密度呈现条带状分布。由于圆形极板的流道不等长,使得其在扩散层内部的平均流动速度低于方形极板,进而导致圆形极板的电流密度均值低于方形极板。