直接甲醇燃料電池陽極通道內(nèi)氣泡特性及通道結(jié)構(gòu)改進研究.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)生的二氧化碳氣體能否及時通過擴散層進入陽極通道并排出電池，對電池性能具有重要的影響，因此研究直接甲醇燃料電池陽極通道內(nèi)的氣液兩相流對電池的優(yōu)化具有非常重要的意義。
　　 本論文利用可視化實驗和數(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極通道設(shè)計的新思路，以期對直接甲醇燃料電池的發(fā)展提供參考。
　　 在可視化實驗中，利用氣泡的中心及端點坐標

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間表征氣泡行為，考察了氣速、液速以及浮力對氣泡行為的影響。結(jié)果表明：氣泡的形成過程可分為孕育階段、生長階段和脫離階段，氣泡的生長階段又可分為快速生長階段和緩慢生長階段。隨著氣速的增大，產(chǎn)生氣泡的時間間隔變短，氣泡間聚并的位置逐漸向前移動；同一時刻氣泡的中心坐標、當(dāng)量直徑、氣泡左右兩端坐標及傾斜角變大；氣泡與壁面接觸直徑的增長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，氣泡中心坐標在X方向變大，而在Y方向變??；氣泡生長過程中當(dāng)量直徑的增長速率無明顯差異，但最終形成氣泡的當(dāng)量直徑減小；在氣泡形成初期，液速對氣泡左右兩端坐標影響較小，當(dāng)氣泡生長到一定體積時，氣泡左右兩端橫坐標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??；氣泡脫離孔口的時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針對陽極通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)對二氧化碳氣泡行為的影響進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：DMFC陽極通道內(nèi)置入豎直擋板在一定范圍內(nèi)有利于二氧化碳氣泡脫離擴散層孔口，隨著置入擋板高度的增加，二氧化碳氣泡脫離擴散層孔口的時間變短，脫離時二氧化碳氣泡的直徑變小；當(dāng)擋板傾角在60°～70°之間時，對二氧化碳氣泡排出陽極通道較為有利。在DMFC陽極通道內(nèi)加入傾斜擋板不僅有利于氣泡快速脫離擴散層孔口，

5、而且可以使氣泡在遠離擴散層的區(qū)域內(nèi)排出陽極通道；但是傾斜擋板不宜過厚，否則會引起氣泡在擋板附近的往復(fù)運動而不利于氣泡脫離擴散層孔口。
　　 同時，本論文利用FLUENT針對氣泡排出陽極通道的過程進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：當(dāng)二氧化碳氣泡以典型的泡狀流形式排出通道時，氣泡排出陽極通道的平均速度隨著氣泡直徑的變大而變大，其增長趨勢先較緩慢后較快而后又略有減緩；當(dāng)二氧化碳氣泡以典型的彈狀流排出通道時，氣泡排出通道的平均速度幾乎不受氣泡大