超聲噴霧對(duì)直接甲醇燃料電池的性能影響研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell,DMFC）具有理論能量密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，有著良好的應(yīng)用前景。但是，DMFC仍存在甲醇滲透、催化劑中毒、二氧化碳排出等問(wèn)題阻礙著其應(yīng)用推廣。本文在前期預(yù)研成果的基礎(chǔ)上，提出了一套新的基于超聲噴霧技術(shù)的高性能DMFC結(jié)構(gòu)，擬改善電池中存在的甲醇滲透現(xiàn)象。文章首先研制了一款高霧化量的專(zhuān)用供給超聲霧化噴頭，然后對(duì)常規(guī)DMFC結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，完成了關(guān)鍵部件的

2、設(shè)計(jì)和加工，并將組裝好的電池和傳統(tǒng)的液體供給DMFC進(jìn)行性能對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證新電池設(shè)計(jì)方案的有效性。最后，在設(shè)計(jì)的超聲噴霧DMFC的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究甲醇濃度、超聲功率、噴霧速率以及擺放方位等參數(shù)對(duì)電池動(dòng)態(tài)開(kāi)路電壓和放電極化性能的影響規(guī)律，并從電池傳質(zhì)的角度來(lái)分析其作用機(jī)理。文章主要取得了以下成果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
　?。?）對(duì)常規(guī)霧化噴頭提出了整體改進(jìn)方案，并根據(jù)聲學(xué)知識(shí)求出了噴頭各部分的具體設(shè)計(jì)尺寸。通過(guò)abaqus軟

3、件對(duì)噴頭進(jìn)行了自由模態(tài)和壓電穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，完成了噴頭的實(shí)物加工和組裝，搭建了噴頭測(cè)試平臺(tái)，完成了噴頭諧振頻率和霧化效果實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得噴頭實(shí)際諧振頻率為53.42KHz，與目標(biāo)頻率55KHz偏差2.87％，處于可接受范圍。噴頭在有效功率2W的條件下，霧化效果良好，最大霧化量達(dá)到15mL/min。
　?。?）設(shè)計(jì)的超聲噴霧DMFC能夠有效提高電池的開(kāi)路電壓和放電性能，緩解甲醇滲透。在2M和8M濃度下，超聲噴霧對(duì)比液體供給將開(kāi)路電壓分

4、別提高了0.007V和0.029V，將放電極限功率分別提高了20.55%和31.27%。
　　（3）隨著甲醇濃度升高，超聲噴霧DMFC電池開(kāi)路電壓會(huì)出現(xiàn)明顯下降，說(shuō)明濃度過(guò)高是造成甲醇滲透的主要因素；隨著濃度的升高，超聲噴霧DMFC的放電極化性能先升高后降低。本超聲噴霧DMFC在4M濃度下電池性能最佳。低濃度下，電池性能主要受到濃差極化的影響；高濃度下，電池主要受到嚴(yán)重的甲醇滲透的影響。
　?。?）電池的開(kāi)路電壓和放電極化性

5、能都隨著有效功率的提高而升高。結(jié)合陽(yáng)極霧汽分布實(shí)驗(yàn)可知，超聲有效功率越大，霧化效果越好，噴霧出的霧滴更多的均勻分布在霧化腔中，這樣可以減少甲醇在MEA表面堆積，從而減小甲醇滲透。同時(shí)，超聲功率越大，超聲噴霧的分散角度越大，在霧群橫截面上霧滴數(shù)量分布的更均勻，這有利于提升電池的放電性能。
　　（5）超聲噴霧DMFC的霧化速率存在一個(gè)最優(yōu)值使得電池放電性能最佳， 在本電池中為2mL/min。霧化速率過(guò)小時(shí)，燃料供給不足會(huì)出現(xiàn)