液相進(jìn)料直接甲醇燃料電池兩相流動(dòng)與傳輸特性研究.pdf

1、便攜式電子設(shè)備和無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)電池已很難滿(mǎn)足要求。而且，當(dāng)今能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，促使人們尋求一種高效、清潔、廉價(jià)方便、續(xù)航能力強(qiáng)的新能源動(dòng)力技術(shù)。而直接甲醇燃料電池(DMFC)可以使用液態(tài)甲醇溶液作為燃料，與傳統(tǒng)動(dòng)力裝置相比具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如能量密度高、啟動(dòng)響應(yīng)快速、零排放、低溫運(yùn)行、可利用現(xiàn)有的能量供應(yīng)系統(tǒng)等，是最有希望盡快商業(yè)化的下一代移動(dòng)式電源。因此，國(guó)內(nèi)外眾多研究單位開(kāi)展了關(guān)于DMFC的研

2、究。
　　 至今，國(guó)內(nèi)外對(duì)DMFC的研究主要集中在化工、材料和電池性能的整體優(yōu)化方面，對(duì)于電池中關(guān)鍵的傳輸現(xiàn)象和傳輸機(jī)理等熱物理問(wèn)題的研究多為數(shù)值模擬，系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較缺乏。因此，本文從工程熱物理學(xué)科角度出發(fā)，研究液相進(jìn)料DMFC內(nèi)兩相流動(dòng)及其傳輸特性。主要內(nèi)容包括：液相進(jìn)料DMFC的設(shè)計(jì)與制造；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立及DMFC性能研究；DMFC陽(yáng)極流道CO2氣泡動(dòng)態(tài)特性研究；DMFC陽(yáng)極流場(chǎng)兩相流動(dòng)特性及其對(duì)電池性能的影響；液相進(jìn)料D

3、MFC陽(yáng)極流動(dòng)阻力特性；DMFC陰極流動(dòng)阻力特性及水淹過(guò)程；DMFC多孔擴(kuò)散層氣液兩相逆流傳輸模擬實(shí)驗(yàn)研究。主要研究成果如下：
　　 (1)在流道內(nèi)擴(kuò)散層表面與流道側(cè)壁面的角區(qū)和碳布纖維束之間的交叉空隙處優(yōu)先生成CO2氣泡；CO2氣泡生長(zhǎng)和脫離主要受浮力、曳力、剪切升力和表面張力的控制；氣泡生長(zhǎng)速率隨電流密度和接觸環(huán)直徑的增大而增大；甲醇濃度、甲醇溶液流速和溫度增加，氣泡脫離直徑變??；擴(kuò)散層表面潤(rùn)濕性越好，氣泡的脫離直徑越小。<

4、br>　　 (2)甲醇溶液流量增加，流道內(nèi)單個(gè)氣泡的體積減小，氣泡從流道排出的速度加快，電池性能提高；甲醇溶液溫度變化對(duì)流道內(nèi)氣泡的生成及聚合過(guò)程影響很??；甲醇濃度、電池陰陽(yáng)極壓差增大，流道內(nèi)的CO2氣泡增多，體積增大；電池采用下進(jìn)料、上排氣方式有利于CO2氣泡的排出，電池的性能較好；
　　 (3)相同操作條件下，蛇形流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的壓降大于平行流場(chǎng)；放電電流密度、甲醇溶液流量和溫度增加，流場(chǎng)進(jìn)出口壓降增加；甲醇濃度提高，進(jìn)出口壓

5、降均略有減??；流場(chǎng)進(jìn)出口壓降隨流道寬度的變小而增大；在相同流道寬度情況下，流場(chǎng)進(jìn)出口壓降隨流道深度的變小而增大；流場(chǎng)進(jìn)出口壓降與流道當(dāng)量直徑和流場(chǎng)的開(kāi)孔率均有關(guān)系。
　　 (4)建立DMFC陽(yáng)極蛇形流場(chǎng)進(jìn)出口壓降均相模型，計(jì)算結(jié)果表明計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，但相對(duì)誤差較大；用無(wú)因次準(zhǔn)則整理文獻(xiàn)中微小槽道內(nèi)氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制微小槽道內(nèi)水平流動(dòng)氣液兩相流流型圖，建立基于流型模型的DMFC陽(yáng)極蛇形流場(chǎng)進(jìn)出口壓降模型，

6、計(jì)算結(jié)果優(yōu)于均相模型但與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的相對(duì)誤差仍然偏大；將附著在擴(kuò)散層表面未脫離的CO2氣泡視為連續(xù)重復(fù)的粗糙單元，并引入系數(shù)k表征放電電流密度對(duì)氣泡分布均勻性的影響，提出計(jì)算DMFC陽(yáng)極蛇形流場(chǎng)進(jìn)出口壓降的改進(jìn)方法，計(jì)算結(jié)果表明：采用Beattie& Whalley關(guān)系式確定兩相均質(zhì)粘度，模型計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間相對(duì)誤差小，模型預(yù)測(cè)效果較好。
　　 (5)恒電流放電時(shí)，平行流場(chǎng)中首個(gè)液滴大多首先在流場(chǎng)右上區(qū)域冒出；流場(chǎng)中新液滴的

7、出現(xiàn)具有瞬間涌出特性而且總是優(yōu)先出現(xiàn)在流場(chǎng)板和擴(kuò)散層交界的夾角處及擴(kuò)散層表面碳纖維束交叉處；液滴的生長(zhǎng)過(guò)程具有非連續(xù)性，與流道邊壁相接觸的液滴和液柱的生長(zhǎng)速度均大于流道中間位置及靠近流道中間位置的未與流道邊壁接觸的液滴的生長(zhǎng)速度，而且液柱有逆氣流方向反向生長(zhǎng)現(xiàn)象。電池恒電流放電時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)液態(tài)水的存在對(duì)流場(chǎng)壓降的影響較大；隨著氧氣流量增大，陰極擴(kuò)散層表面首個(gè)可見(jiàn)液滴的生成時(shí)間隨之增加，陰極流道內(nèi)的液態(tài)水逐漸減少，而且流場(chǎng)中大液滴數(shù)量和形成

8、液柱的長(zhǎng)度也減少，電池性能得到提高，但流場(chǎng)進(jìn)出口壓降卻增加；進(jìn)氣溫度升高，陰極擴(kuò)散層表面首個(gè)可見(jiàn)液滴的生成時(shí)間同樣隨之增加，而且陰極流道內(nèi)的液態(tài)水減少，流場(chǎng)中大液滴數(shù)量和形成液柱的長(zhǎng)度也減少，流場(chǎng)進(jìn)出口壓降降低，電池性能得到提高。
　　 (6)利用多孔網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究DMFC多孔擴(kuò)散層氣液兩相逆流傳輸特性，結(jié)果表明：可滲透壁面上多孔成泡時(shí)常伴隨氣泡回縮現(xiàn)象，氣泡進(jìn)入快速生長(zhǎng)期后，多孔網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)明顯的水侵滲現(xiàn)象；喉道內(nèi)水侵滲機(jī)制呈

9、“活塞狀”，孔內(nèi)侵滲機(jī)制包含三種：(1)孔初始狀態(tài)有相鄰兩喉道被氣相占據(jù)，其余兩相鄰喉道被液相占據(jù)，呈“彎月形”侵滲；(2)孔初始狀態(tài)有三個(gè)相鄰喉道被液相占據(jù)，剩余一個(gè)喉道被氣相占據(jù)，呈“球缺形”侵滲；(3)孔初始狀態(tài)有兩個(gè)相對(duì)的喉道被液相占據(jù)，另外兩個(gè)相對(duì)的喉道被氣相占據(jù)，以幾何截面突變處的“夾斷”氣柱方式侵滲；多孔網(wǎng)絡(luò)內(nèi)空氣驅(qū)替水的機(jī)制包含三步：(1)喉道內(nèi)呈“活塞狀”驅(qū)替液相；(2)氣相由喉道進(jìn)入孔，呈“球冠形”驅(qū)替；(3)氣相占