微重力下直接甲醇燃料電池陽極流場內(nèi)兩相流的實驗研究.pdf

1、微重力科學(xué)應(yīng)載人航天發(fā)展而迅速發(fā)展起來，是當(dāng)今世界的前沿學(xué)科之一。微重力條件下的氣液兩相流動是空間技術(shù)領(lǐng)域必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，具有重要的學(xué)術(shù)意義和重大的應(yīng)用價值。 燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，因其高比功率、高比能量，響應(yīng)速度快、可大功率、長時間供電的特點，在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用又開始得到重視。 在空間微重力環(huán)境中，質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部伴有電化學(xué)反應(yīng)的兩相流動將呈

2、現(xiàn)出和常規(guī)兩相流動迥然不同的特性，給燃料電池氣液管理提出了新的挑戰(zhàn)，成為質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。 本文設(shè)計了透明的直接甲醇燃料電池，建立了燃料電池測試系統(tǒng)，并分別在常重力和微重力環(huán)境下利用可視化技術(shù)對直接甲醇燃料電池陽極兩相流動以及流道內(nèi)CO2氣泡對電池性能的影響進(jìn)行了研究。實驗得到了微重力條件下直接甲醇燃料電池內(nèi)部伴有電化學(xué)反應(yīng)的氣液兩相流動圖像和相應(yīng)電性能等實驗數(shù)據(jù)，揭示出了伴有化學(xué)反應(yīng)的氣液

3、兩相流特點、氣泡生長與脫離規(guī)律以及重力因素對燃料電池性能的影響規(guī)律，為質(zhì)子交換膜燃料電池在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)和設(shè)計與運控指導(dǎo)。 本文的主要工作及取得的主要成果如下：1.建立了短時微重力落塔實驗專用直接甲醇燃料電池性能測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)與作者自行設(shè)計的透明燃料電池以及落塔系統(tǒng)共同構(gòu)成了微重力環(huán)境下直接甲醇燃料電池陽極流道可視化的研究平臺。該實驗系統(tǒng)在測量和采集燃料電池電性能輸出的同時，可實時觀察燃料電池內(nèi)部的兩相

4、流動。 2.分別在常重力與微重力環(huán)境下，可視化研究了電流密度對直接甲醇燃料電池內(nèi)CO2氣泡和兩相流流動的影響。研究表明，不管是在常重力條件下還是微重力條件下，隨著電流密度增大，流道內(nèi)氣體量增多，氣泡尺寸變大。但在微重力條件下，氣泡的數(shù)量比常重力下明顯增多，而且尺寸變大，氣泡形狀也由橢球形變?yōu)榍蛐?。同時，在微重力環(huán)境下電池的性能較常重力環(huán)境下有所下降，而且隨著濃差極化程度的加深，性能下降的幅度越大。 3.分別在常重力與微重

5、力環(huán)境下，對電池溫度對直接甲醇燃料電池內(nèi)CO2氣泡和氣液兩相流流動的影響進(jìn)行了可視化研究。實驗結(jié)果表明，不管是在常重力下還是微重力條件下，隨著電池溫度的升高，流道內(nèi)氣體量增多，氣泡尺寸變大。但在微重力條件下，氣泡的數(shù)量比常重力下明顯增多，而且尺寸明顯變大，氣泡形狀也由橢球形變?yōu)榍蛐?，在高溫時流道內(nèi)有大的氣彈生成。 4.對微重力環(huán)境不同電池溫度下電池的電性能與常重力環(huán)境下的電性能進(jìn)行了比較分析。在常重力環(huán)境下，升高電池的溫度能增強