直接甲醇燃料電池陽(yáng)極通道內(nèi)氣泡特性及通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究.pdf

1、在直接甲醇燃料電池（DMFC）中，催化層上由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w能否及時(shí)通過(guò)擴(kuò)散層進(jìn)入陽(yáng)極通道并排出電池，對(duì)電池性能具有重要的影響，因此研究直接甲醇燃料電池陽(yáng)極通道內(nèi)的氣液兩相流對(duì)電池的優(yōu)化具有非常重要的意義。
　　 本論文利用可視化實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了微通道內(nèi)的氣泡行為，提出了直接甲醇燃料電池陽(yáng)極通道設(shè)計(jì)的新思路，以期對(duì)直接甲醇燃料電池的發(fā)展提供參考。
　　 在可視化實(shí)驗(yàn)中，利用氣泡的中心及端點(diǎn)坐標(biāo)

2、、當(dāng)量直徑、傾斜角、與壁面的接觸直徑以及脫離孔口的時(shí)間表征氣泡行為，考察了氣速、液速以及浮力對(duì)氣泡行為的影響。結(jié)果表明：氣泡的形成過(guò)程可分為孕育階段、生長(zhǎng)階段和脫離階段，氣泡的生長(zhǎng)階段又可分為快速生長(zhǎng)階段和緩慢生長(zhǎng)階段。隨著氣速的增大，產(chǎn)生氣泡的時(shí)間間隔變短，氣泡間聚并的位置逐漸向前移動(dòng)；同一時(shí)刻氣泡的中心坐標(biāo)、當(dāng)量直徑、氣泡左右兩端坐標(biāo)及傾斜角變大；氣泡與壁面接觸直徑的增長(zhǎng)速率隨氣速的增加而變大，但最終趨于一穩(wěn)定值；氣泡脫離孔口的時(shí)間

3、隨氣速的增加先減小后增大。隨著液速的增大，氣泡由彈狀流向泡狀流漸變，氣泡中心坐標(biāo)在X方向變大，而在Y方向變?。粴馀萆L(zhǎng)過(guò)程中當(dāng)量直徑的增長(zhǎng)速率無(wú)明顯差異，但最終形成氣泡的當(dāng)量直徑減??；在氣泡形成初期，液速對(duì)氣泡左右兩端坐標(biāo)影響較小，當(dāng)氣泡生長(zhǎng)到一定體積時(shí)，氣泡左右兩端橫坐標(biāo)隨液速的增大而變大；氣泡的傾斜角及與壁面的接觸直徑隨液速的增大而減小；氣泡脫離孔口的時(shí)間隨液速的增大先急劇變小后趨于平緩。浮力的作用使豎直向下形成氣泡的速率較慢且氣泡

4、難于脫離孔口。
　　 在數(shù)值模擬中，本論文利用FLUENT針對(duì)陽(yáng)極通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)二氧化碳?xì)馀菪袨榈挠绊戇M(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：DMFC陽(yáng)極通道內(nèi)置入豎直擋板在一定范圍內(nèi)有利于二氧化碳?xì)馀菝撾x擴(kuò)散層孔口，隨著置入擋板高度的增加，二氧化碳?xì)馀菝撾x擴(kuò)散層孔口的時(shí)間變短，脫離時(shí)二氧化碳?xì)馀莸闹睆阶冃?；?dāng)擋板傾角在60°～70°之間時(shí)，對(duì)二氧化碳?xì)馀菖懦鲫?yáng)極通道較為有利。在DMFC陽(yáng)極通道內(nèi)加入傾斜擋板不僅有利于氣泡快速脫離擴(kuò)散層孔口，

5、而且可以使氣泡在遠(yuǎn)離擴(kuò)散層的區(qū)域內(nèi)排出陽(yáng)極通道；但是傾斜擋板不宜過(guò)厚，否則會(huì)引起氣泡在擋板附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而不利于氣泡脫離擴(kuò)散層孔口。
　　 同時(shí)，本論文利用FLUENT針對(duì)氣泡排出陽(yáng)極通道的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：當(dāng)二氧化碳?xì)馀菀缘湫偷呐轄盍餍问脚懦鐾ǖ罆r(shí)，氣泡排出陽(yáng)極通道的平均速度隨著氣泡直徑的變大而變大，其增長(zhǎng)趨勢(shì)先較緩慢后較快而后又略有減緩；當(dāng)二氧化碳?xì)馀菀缘湫偷膹棤盍髋懦鐾ǖ罆r(shí)，氣泡排出通道的平均速度幾乎不受氣泡大