液相進料直接甲醇燃料電池兩相流動與傳輸特性研究.pdf

1、便攜式電子設(shè)備和無線通訊技術(shù)的發(fā)展對電源的要求越來越高，傳統(tǒng)電池已很難滿足要求。而且，當(dāng)今能源危機和環(huán)境污染日益嚴峻，促使人們尋求一種高效、清潔、廉價方便、續(xù)航能力強的新能源動力技術(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)動力裝置相比具有其獨特的優(yōu)點，如能量密度高、啟動響應(yīng)快速、零排放、低溫運行、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)化的下一代移動式電源。因此，國內(nèi)外眾多研究單位開展了關(guān)于DMFC的研

2、究。
　　 至今，國內(nèi)外對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，對于電池中關(guān)鍵的傳輸現(xiàn)象和傳輸機理等熱物理問題的研究多為數(shù)值模擬，系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)較缺乏。因此，本文從工程熱物理學(xué)科角度出發(fā)，研究液相進料DMFC內(nèi)兩相流動及其傳輸特性。主要內(nèi)容包括：液相進料DMFC的設(shè)計與制造；實驗系統(tǒng)的建立及DMFC性能研究；DMFC陽極流道CO2氣泡動態(tài)特性研究；DMFC陽極流場兩相流動特性及其對電池性能的影響；液相進料D

3、MFC陽極流動阻力特性；DMFC陰極流動阻力特性及水淹過程；DMFC多孔擴散層氣液兩相逆流傳輸模擬實驗研究。主要研究成果如下：
　　 (1)在流道內(nèi)擴散層表面與流道側(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，氣泡脫離直徑變小；擴散層表面潤濕性越好，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流道內(nèi)氣泡的生成及聚合過程影響很??；甲醇濃度、電池陰陽極壓差增大，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，蛇形流場內(nèi)產(chǎn)生的壓降大于平行流場；放電電流密度、甲醇溶液流量和溫度增加，流場進出口壓降增加；甲醇濃度提高，進出口壓

5、降均略有減??；流場進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，流場進出口壓降隨流道深度的變小而增大；流場進出口壓降與流道當(dāng)量直徑和流場的開孔率均有關(guān)系。
　　 (4)建立DMFC陽極蛇形流場進出口壓降均相模型，計算結(jié)果表明計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢一致，但相對誤差較大；用無因次準則整理文獻中微小槽道內(nèi)氣液兩相流流型實驗數(shù)據(jù)，繪制微小槽道內(nèi)水平流動氣液兩相流流型圖，建立基于流型模型的DMFC陽極蛇形流場進出口壓降模型，

6、計算結(jié)果優(yōu)于均相模型但與實驗數(shù)據(jù)間的相對誤差仍然偏大；將附著在擴散層表面未脫離的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氣泡分布均勻性的影響，提出計算DMFC陽極蛇形流場進出口壓降的改進方法，計算結(jié)果表明：采用Beattie& Whalley關(guān)系式確定兩相均質(zhì)粘度，模型計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)間相對誤差小，模型預(yù)測效果較好。
　　 (5)恒電流放電時，平行流場中首個液滴大多首先在流場右上區(qū)域冒出；流場中新液滴的

7、出現(xiàn)具有瞬間涌出特性而且總是優(yōu)先出現(xiàn)在流場板和擴散層交界的夾角處及擴散層表面碳纖維束交叉處；液滴的生長過程具有非連續(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速度，而且液柱有逆氣流方向反向生長現(xiàn)象。電池恒電流放電時，流場內(nèi)液態(tài)水的存在對流場壓降的影響較大；隨著氧氣流量增大，陰極擴散層表面首個可見液滴的生成時間隨之增加，陰極流道內(nèi)的液態(tài)水逐漸減少，而且流場中大液滴數(shù)量和形成

8、液柱的長度也減少，電池性能得到提高，但流場進出口壓降卻增加；進氣溫度升高，陰極擴散層表面首個可見液滴的生成時間同樣隨之增加，而且陰極流道內(nèi)的液態(tài)水減少，流場中大液滴數(shù)量和形成液柱的長度也減少，流場進出口壓降降低，電池性能得到提高。
　　 (6)利用多孔網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)M研究DMFC多孔擴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常伴隨氣泡回縮現(xiàn)象，氣泡進入快速生長期后，多孔網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)明顯的水侵滲現(xiàn)象；喉道內(nèi)水侵滲機制呈

9、“活塞狀”，孔內(nèi)侵滲機制包含三種：(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)有三個相鄰喉道被液相占據(jù)，剩余一個喉道被氣相占據(jù)，呈“球缺形”侵滲；(3)孔初始狀態(tài)有兩個相對的喉道被液相占據(jù)，另外兩個相對的喉道被氣相占據(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)氣相由喉道進入孔，呈“球冠形”驅(qū)替；(3)氣相占