直接甲醇燃料电池阳极气液两相流动的研究

摘要

燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应转化成电能和热能的装置，它的效率比传统的热机效率高，而且还具有环境友好、可靠性高、灵活性好、噪声小等优点。而直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)由于其燃料价格便宜、燃料补给速度快、启动时间短、能够低温和低压运行等特殊优点，已经在燃料电池领域自成一家，成为各国争相研究的热点动力源之一。 本文采用可视化实验研究的方法研究了平行流道DMFC阳极流场板流道内CO2气泡的生长、聚合及排出过程。研究了不同工作状态下DMFC阳极两相流动的流动特性和电池的性能，同时测量了产物CO2的生成量。这为优化运行工况和流场设计，从而强化直接甲醇燃料电池内部的传质过程提供了初步的实验依据。 本文对阳极流道内气液两相流动的阻力特性也进行了研究，针对平行流道DMFC阳极两相流动的压力降建立理论模型，研究了不同工作状态对平行流道DMFC阳极压力降的影响，并对该模型的计算结果进行了实验验证。这为深入了解流体在阳极流道中的流动特性以及进行直接甲醇燃料电池气体管理提供了有意义的分析方案。 本文主要研究成果如下： 1.自行设计制造了用于可视化研究的平行流场透明DMFC单电池。 2.设计搭建了DMFC单电池性能测试系统。 3.对平行流道DMFC单电池进行了可视化实验研究，测试了不同电流密度、阳极进料浓度、阳极进料流量、电池工作温度以及阳极进料中混合非反应气体时电池的性能，并观察了平行流道内两相流动的规律，测试了阳极反应产物CO2气体的生成量。 得到结论如下： (a)随着电流密度增大，流道内气体量增多，气泡尺寸变大。CO2气体的生成量也随着电流密度的增加而增大。 (b)随着甲醇浓度的增加，电池的开路电压会有所下降，并且低电流密度区电池的电压也随着浓度的增加而略有下降，但是在高电流密度区，甲醇浓度过低会大大降低电池性能。甲醇浓度对CO2气泡的生成量影响并不大。 (c)在低电流密度区，阳极进料流量的增加对电池性能的影响非常微弱，但是在高电流密度区，进料流量对电池性能的影响则非常明显，此时甲醇流量过低，会导致电池提前进入浓差极化状态，电池电压迅速下降。随着阳极进料流量的增加，流道内气泡的平均尺寸和数量大大减小，但气体的生成量变化不大。 (d)随着电池工作温度的提高，电池的性能得到了很大的改善。随着温度的升高，流道内气泡数量增多，平均尺寸变大。 (e)当甲醇溶液中混合少量的非反应气体时，电池性能有所提升。但是若混合气体比例过大时，电池性能反而有所下降，流道内会出现气体排出受阻的情况。 4.建立了平行流道DMFC阳极的压力降计算模型，求解了DMFC阳极的总压力降。利用该模型分析了电流密度、阳极进料浓度、阳极进料流量以及电池工作温度对DMFC阳极压力降的影响。还将计算结果进行了实验验证。 通过计算和分析得出如下结论： (a)在本课题设定的工况下，电池总压力降随着电流密度的增大而减小。 (b)甲醇溶液进料浓度对DMFC阳极总压力降影响不大，几乎可以忽略。 (c)DMFC阳极总压力降随甲醇流量的增大而增大。当电流密度为零时，阳极总压力降也随着进料流量的增加而增大。 (d)压力降随温度的升高而略有变化，但是影响不大。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

1 绪论

1.1引言

1.2燃料电池概况

1.2.1燃料电池工作原理

1.2.2燃料电池的特点

1.2.3燃料电池的分类

1.2.4燃料电池的发展

1.3直接甲醇燃料电池

1.3.1直接甲醇燃料电池工作原理

1.3.1直接甲醇燃料电池的极化特点

1.3.1直接甲醇燃料电池的发展和研究现状

1.4本文的主要研究内容和研究目的

1.4.1本文的主要研究内容

1.4.2本文的主要研究目的

1.5本章小结

2可视化直接甲醇燃料电池的设计

2.1膜电极组件

2.2极板与流场

2.3端板及其它部件

2.4电池的组装与调试

2.5本章小结

3实验测试系统的设计搭建

3.1实验系统的设计与搭建

3.1.1阳极进料及排放系统

3.1.2阴极进料及排放系统

3.1.3温度及压力控制系统

3.1.4可编程电子负载系统

3.1.5拍摄和记录系统

3.2实验准备与调试

3.3实验步骤

3.3.1购买和准备实验用料

3.3.2准备实验用电池

3.3.3清理管路

3.3.4正式实验测试

3.4实验误差分析

3.4.1误差概述

3.4.2系统误差的处理

3.4.3系统误差的结算

3.4本章小结

4平行流场DMFC的实验研究

4.1电池稳态性能测试

4.2电池稳态CO2生成量

4.3电流密度的影响

4.4阳极甲醇浓度的影响

4.5阳极甲醇流量的影响

4.6电池工作温度的影响

4.7甲醇中混合非反应气体的影响

4.8本章小结

5DMFC阳极气液两相流动的阻力特性

5.1阳极两相流动压降模型假设

5.2各组分质量流量

5.2.1甲醇质量流量

5.2.2水质量流量

5.2.3 C02质量流量

5.3两相流动压力降计算

5.3.1摩擦阻力压力降△Pf

5.3.2局部阻力压力降△P1

5.3.3重位压力降△Pg

5.3.3加速压力降△Pa

5.3.4假设验证

5.4压力降计算结果和分析

5.4.1电流密度对压力降的影响

5.4.2进料浓度对压力降的影响

5.4.3进料流量对压力降的影响

5.4.4工作温度对压力降的影响

5.4.5压力降计算的实验验证

5.5本章小结

6结论

参考文献

致谢