液相進(jìn)料DMFC內(nèi)的兩相流與阻力特性研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)由于甲醇來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，其水溶液易于攜帶和貯存等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來(lái)最有發(fā)展前景的便攜式電源之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)DMFC的研究大部分集中60℃以上階段，環(huán)境溫度下的還較少。而采用DMFC作為便攜式電源的工具（如筆記本電腦、手機(jī)、PDA等）一般都是在常溫下使用，所以有必要開(kāi)展對(duì)環(huán)境溫度下DMFC的性能研究。
　　 本文主要以環(huán)境溫度下的液相進(jìn)料DMFC為研究對(duì)象，開(kāi)展了以下研究工作:設(shè)計(jì)并組裝了可視化的液

2、相進(jìn)料燃料電池;建立和調(diào)試了燃料電池測(cè)試系統(tǒng);對(duì)DMFC的膜電極進(jìn)行了活化研究;分析了陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)DMFC性能的影響;對(duì)DMFC陽(yáng)極阻力特性進(jìn)行了的研究。主要結(jié)論如下:
　　 (1) DMFC膜電極的活化研究。采用了三種不同的活化方法對(duì)膜電極進(jìn)行活化，分析了不同的活化參數(shù)（如活化時(shí)間、活化介質(zhì)、活化放電電流）對(duì)直接甲醇燃料電池性能的影響。從實(shí)驗(yàn)中可以看出:膜電極經(jīng)過(guò)活化后，電池的性能得到明顯提升。采用普通潤(rùn)濕活化、酸活化

3、和放電活化都能使膜電極的性能達(dá)到最佳，只是三種活化方法使膜電極活化達(dá)到最佳所需的時(shí)間不同，普通潤(rùn)濕活化需要的時(shí)間較長(zhǎng)為四個(gè)小時(shí)，而酸活化和放電活化所需的時(shí)間都較短為兩個(gè)小時(shí)。采用放電活化時(shí)，小電流密度能使膜電極性能達(dá)到最佳，而在大電流密度下膜電極的性能有所下降。
　　 (2)陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)DMFC性能的影響。當(dāng)陽(yáng)極和陰極分別采用平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)和交指流場(chǎng)作為流道時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行了性能的測(cè)試。并對(duì)陽(yáng)極生成的CO2氣泡以及陰極

4、的水滴現(xiàn)象進(jìn)行了可視化研究，分析了陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不同對(duì)DMFC性能的影響。結(jié)果表明:對(duì)于陽(yáng)極流場(chǎng)來(lái)說(shuō)，蛇形流場(chǎng)因其更易于CO2氣泡的排出而性能最好，而平行和交指流場(chǎng)中則會(huì)出現(xiàn)CO2氣泡堵塞流道的現(xiàn)象，影響了甲醇的傳輸，性能較差，因此采用蛇形流場(chǎng)作為DMFC的陽(yáng)極流場(chǎng)。對(duì)于陰極流場(chǎng)來(lái)說(shuō)，平行流場(chǎng)由于氧氣流速較慢流道易出現(xiàn)“水淹”現(xiàn)象，影響了氧氣的傳輸，使得電池性能較差;蛇形流場(chǎng)雖更易于水滴的排出，其性能要優(yōu)于平行流場(chǎng)，但其流道較長(zhǎng)，

5、易造成氧氣分布不均勻，流道底部出現(xiàn)供氧不足而造成電池性能的下降;交指流場(chǎng)由于其特殊的流道結(jié)構(gòu)能保證氧氣的充足供應(yīng)，所以其作為DMFC陰極流場(chǎng)時(shí)電池的性能最佳。
　　 (3) DMFC陽(yáng)極阻力特性的研究。首先對(duì)DMFC陽(yáng)極流道內(nèi)進(jìn)出口壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用三種不同形式的流場(chǎng)組裝了透明的液相進(jìn)料DMFC，分析了甲醇流量、甲醇濃度和流場(chǎng)形式對(duì)陽(yáng)極進(jìn)出口壓降的影響，可以得出以下結(jié)論:流量較小時(shí)，陽(yáng)極流場(chǎng)進(jìn)出口壓降隨著電流密度增大先升高

6、后降低最后趨于穩(wěn)定;在大流量下，陽(yáng)極流場(chǎng)進(jìn)出口壓降隨電流密度增大而增加直至穩(wěn)定。隨著甲醇濃度的增大，陽(yáng)極流場(chǎng)進(jìn)出口壓降略有下降，但是變化不大，說(shuō)明甲醇濃度對(duì)陽(yáng)極進(jìn)出口壓降的影響較小。在相同流量情況下，選用平行流場(chǎng)時(shí)壓降最小、交指流場(chǎng)次之、蛇形流場(chǎng)壓降最大，并且隨甲醇流量增大，蛇形流場(chǎng)的壓降增加幅度要快于其他兩種形式的流場(chǎng)。然后對(duì)陽(yáng)極采用蛇形流場(chǎng)的DMFC建立了陽(yáng)極流道內(nèi)兩相流流動(dòng)壓力降模型。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較驗(yàn)證了模型的正確性。分析了