被動式DMFC氣泡行為的實驗研究和數(shù)值模擬.pdf

1、被動式直接甲醇燃料電池(Passive DMFC)工作過程中，甲醇經(jīng)過擴散層傳遞到催化層進行電化學反應(yīng)，其所產(chǎn)生二氧化碳氣體能否及時脫離擴散層對電池性能具有重要影響，因此研究被動式直接甲醇燃料電池內(nèi)的氣泡行為對提高電池性能具有重要意義。
　　 由于擴散層孔徑是微米級的，且氣體在其中以自由擴散形式運動，采用單一實驗的方法很難詳細了解氣泡行為，因此本論文通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，以期更深入了解通道內(nèi)的氣液兩相流。實驗過程考察氣泡在

2、單孔和雙孔處的脫離機理，重點研究了氣速對氣泡初始形成，脫離上升及碰撞融合過程的影響。對作用在氣泡上的作用力進行分析，并利用氣泡直徑和接觸環(huán)直徑來計算作用力大小，分析氣泡形成脫離機理。還考察了氣泡的形成直徑，形狀變化及上升速度隨傾斜角度的變化，找出影響氣泡脫離因素。數(shù)值模擬過程采用VOF模型對氣泡形成及脫離過程進行二維模擬，利用氣泡脫離時間、脫離直徑及接觸環(huán)直徑來表征氣泡行為，考察了孔徑大小、擴散層孔口傾斜度、擴散層潤濕性以及氣體流速對氣

3、泡行為的影響?？疾鞖馀菖c擴散層的接觸直徑、氣泡形狀及周圍流場的變化，并與本文實驗內(nèi)容和前人研究的結(jié)果進行對比，相互驗證。
　　 利用高速攝影儀通過可視化方法主要得到如下結(jié)論：
　　 (1)氣泡形成初期，浮力作用小，在表面張力作用下以近似球形形狀生長；隨著氣泡不斷長大，浮力和氣液界面張力作用使其縱向被拉長，中心不斷升高，同時其尾部受到液體剪切作用不斷變細，而后脫離。氣速較小時，氣泡以較小的直徑逐個脫離；隨著氣速增大，氣泡初

4、始形成直徑變大，脫離前會出現(xiàn)一個類似“頸部”結(jié)構(gòu)的氣液界面，這個界面隨氣體進入而形成小氣泡。前級氣泡尾部通過后級小氣泡與孔口連接，隨著后級氣泡變大，氣泡之間發(fā)生單次融合或多次融合，形成更大的直徑后脫離。融合過程使氣泡不穩(wěn)定，氣液界面產(chǎn)生波動，出現(xiàn)正方形，蘑菇形，橢圓形和帽形等多種形狀變化。隨著氣泡位置不斷升高，不再和后級小氣泡碰撞融合，最后在溶液中震蕩上升。
　　 (2)孔口向下的擴散層表面，氣泡在其上滑動的臨界角度隨甲醇濃度升

5、高而減小，滑動速度隨傾斜角度增大而變大。表而張力和粘度影響氣泡的形成直徑，氣泡直徑隨甲醇濃度升高而減小。在相同條件下，雙孔相比于單孔口處形成的氣泡直徑大，脫離時間長。氣泡在豎直擴散層表面脫離過程中，氣體進入1M的甲醇溶液中形成直徑較大的氣泡，并粘附在擴散層表面向上滑動，上升速度為0.075m/s。SM甲醇溶液中，氣泡脫離擴散層在溶液中呈螺旋形路徑上升，碰撞到壁面時壓縮、反彈而后脫離壁面繼續(xù)上升。氣泡在溶液中由于左右兩邊受力不均勻，上升軌

6、跡呈“之”字形或“螺旋”形，在這個過程中氣泡形狀和上升速度不斷變化。相同孔口處產(chǎn)生的氣泡，后續(xù)氣泡會受到前級氣泡脫離時產(chǎn)生的流場影響，因此氣泡直徑隨脫離順序而不斷變化。
　　 采用FLUENT模擬軟件通過數(shù)值模擬方法得到如下結(jié)果：
　　 (3)氣泡形成過程中，其內(nèi)部壓力先迅速減小，而后趨于平緩。氣泡長大過程中，內(nèi)部氣體最大速度矢量小于進氣速度；即將脫離時，氣體最大速度矢量先迅速增大而后減小。傾斜擴散層表面生成的氣泡，其脫

7、離周期比水平擴散層表面短，脫離直徑小。在相同氣速下，隨著孔口直徑的增大，氣泡形成直徑變大，脫離周期變短。氣泡與擴散層的接觸角越接近90°，其與擴散層的接觸面積就越大，不易脫離。進氣速度能改變氣泡的生成頻率和氣泡的生長狀態(tài)，氣速低時，氣泡逐個脫離，脫離位置較低，直徑小；氣速較高時，氣泡間聚并融合，脫離時的直徑大。氣泡上升過程的擺動幅度隨直徑增大而變大，直徑較小的氣泡在溶液中以螺旋形路徑上升，氣泡形變隨直徑的變大而變大。相同直徑的氣泡，其擺