微型甲醇燃料电池阳极CO排出研究

摘要

随着自然资源的日益缺乏和人们环保意识的提高，燃料电池作为一种绿色能源受到越来越多的青睐，它具有高能量比、模块化、方便持久和环境友好等优点，以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池时单兵电源、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源，目前正处在研究开发阶段。 本文利用CFD方法模拟了微型直接甲醇燃料电池阳极二氧化碳气体在沟道中的流动与分布，结合两相流理论，研究了不同流场布局、沟道尺寸和燃料入口流速对两相流压力降及气体分布的影响，得到了最大残余体积含气率与流道宽度和入口速度的关系，结果表明蛇形流场排泡效果要优于平行流场。根据计算结果，分别对蛇形流场、平行流场和三通道蛇形流场中气体聚集的位置进行了预测。研究结果为流场的参数设计和结构优化提供了参考。 针对阳极流道中二氧化碳气体的堵塞问题，本文设计了各处沟道宽度渐变的非均衡流场，并通过数值模拟和试验方法进行研究。结果表明从气体体积分布与体积含气率得出非均衡流场更加有利于二氧化碳气泡的排出。同时分析了用不同结构和形状的非均衡流场板制作的微型直接甲醇燃料电池内两相流的压力降行为，得出了流场进出口间流体压降随燃料电池输出电流密度变化的基本规律。 在数值模拟的基础上，本文用自呼吸式直接甲醇燃料电池，根据沟道入口宽度，形状制作了16种阳极流场板，对应16个不同的电池，每块流场板的流道都分布在10mm×10mm的范围内。整个电池由五部分组成，分别为阳极盖片、阳极流场板、MEA、阴极集流板和阴极盖片，阳极流场板由不锈钢材料加工而成，同时起到了集流板的作用，在MEA和流场板之间有集流网，可以更好的收集电流，阳极和阴极盖片的材料均为透明的PMMA有机玻璃。 实验系统包括：双通道微量注射泵、电子负载(上位机)、压力变送器、燃料电池和控制计算机。利用这个测试平台对不同工作条件下和不同流场形态下的电池性能进行了测定，实验结果表明，在低电流密度下，压降随电流密度的升高而升高，当在一定的电流密度下到达一个峰值后，压降随着电流密度的增加而减小，同时压降随着甲醇入口流速的增加而增加，但是过低和过高的流速都将降低电池的性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)

1.1.1 μDMFC基本原理和结构

1.1.2微型直接甲醇燃料电池存在的主要问题

1.2国内外研究现状和进展

1.2.1二氧化碳气泡排出研究

1.2.2 DMFC中气液两相流研究

2两相流理论基础及其数值计算方法

2.1微沟道内气泡的运动

2.2气液两相流动的数理描述

2.2.1 CO2气泡在阳极流场内的生成和分布

2.2.2沟道内气液两相流压降分类与计算

2.3两相流及其数值计算的基本方法

2.3.1数值计算的基本方法

2.3.2网格生成的几何品质

2.4小结

3μDMFC阳极均衡流场两相流数值模拟

3.1基本假设和参数设定

3.1.1模拟的基本假设

3.1.2流道形状和尺寸

3.1.3模型建立及入口流速的设定

3.2流场布局和参数影响

3.2.1流道总压降与流道形状和尺寸的关系

3.2.2不同流场中两相流含气率的分布与比较

3.3结果与讨论

3.4小结

4阳极非均衡流场的两相流数值模拟

4.1建模与网格划分

4.1.1微流场板的设计

4.1.2微流道等效水力直径的计算

4.2物性参数及边界条件

4.3模拟结果及分析

4.3.1仿真所得流速、压力降以及气体分布云图

4.3.2相同等效水力直径下流场中两相流气体分布情况

4.3.3流场内流速与气体体积分布之间的关系

4.4 小结

5燃料电池测试实验

5.1燃料电池组装与测试平台的构建

5.2不同工作条件下的压降测试实验

5.2.1实验参数的选择

5.2.2实验步骤

5.2.3实验数据采集与分析

5.2.4流场观测实验

5.3小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢