基于VOF方法的μDMFC陽極溝道內(nèi)氣液輸運(yùn)特性研究.pdf

1、微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）由于其環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料儲(chǔ)存攜帶方便等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。研究μDMFC陽極流場(chǎng)內(nèi)氣液輸運(yùn)特性，消除CO2氣泡阻塞的不利影響，增強(qiáng)反應(yīng)物的輸運(yùn)和傳質(zhì)效率，是提高μDMFC輸出性能的重要途徑之一。
　　本文首先從微孔上單氣泡行為特性入手，建立了甲醇溶液通流條件下孔口單氣泡脫離直徑的數(shù)學(xué)模型

2、，獲得了單氣泡的脫離直徑隨CO2氣體速度、甲醇溶液速度和擴(kuò)散層孔徑的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明：?jiǎn)螝馀菝撾x直徑隨CO2氣體速度和擴(kuò)散層孔徑的增大而增大，隨甲醇溶液速度的增大而減小。此外，分析了溝道內(nèi)氣泡段的受力情況，建立了溝道內(nèi)氣泡段的運(yùn)動(dòng)模型。
　　采用VOF方法研究了μDMFC陽極流場(chǎng)微溝道內(nèi)CO2氣泡的生長及脫離行為特性，分析了CO2氣體生成速度、甲醇溶液速度、擴(kuò)散層親疏水性、擴(kuò)散層孔徑和擴(kuò)散層微孔位置等參數(shù)對(duì)單氣泡脫離行為特性

3、的影響規(guī)律。
　　采用VOF方法研究了μDMFC陽極流場(chǎng)微溝道內(nèi)氣泡段的運(yùn)動(dòng)特性，分析了CO2氣體生成速度、甲醇溶液速度、溝道尺寸和截面深寬比對(duì)溝道內(nèi)壓降特性的影響規(guī)律，并結(jié)合采用分相流模型推導(dǎo)的溝道內(nèi)壓降的計(jì)算公式進(jìn)行了數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。
　　研究了截面形狀對(duì)μDMFC陽極流場(chǎng)溝道內(nèi)氣液輸運(yùn)的影響。針對(duì)三角形、梯形、半圓形和矩形四種不同溝道截面形狀，分別建立了定深寬尺寸和定橫截面積兩種情況下的溝道模型，分

4、析了溝道截面形狀對(duì)μDMFC陽極流場(chǎng)溝道內(nèi)壓降和含氣率的影響。研究結(jié)果表明：三角形截面溝道內(nèi)壓降最大，含氣率最低；矩形截面溝道內(nèi)壓降最小，含氣率最高。因此，三角形截面溝道最有利于CO2氣泡的排出，而矩形截面溝道最不利于氣液輸運(yùn)。
　　改變溝道親疏水特性，完成了μDMFC陽極流場(chǎng)溝道內(nèi)氣液輸運(yùn)數(shù)值模擬，對(duì)比研究了不同親疏水特性對(duì)溝道內(nèi)壓降和含氣率的影響。研究結(jié)果表明：溝道親水性越強(qiáng)越有利于CO2氣泡的排出。在此基礎(chǔ)上研究了溝道側(cè)壁親