直接甲醇燃料电池阳极微细通道内气液两相流的研究

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)的阳极通道主要起传输反应物和生成物的作用，以保证电极各处均能获得充足的甲醇，且能及时的排出生成的二氧化碳气体。当在催化层表面生成的二氧化碳气体通过扩散层进入阳极通道后和甲醇溶液形成了气液两相流。气液两相流对电池的性能影响重大，特别是大电流密度时，生成的二氧化碳如果不及时排出，则易引起通道的堵塞。此外，气体在扩散层表面形成的气膜，不利于甲醇向电极方向传递。因此，研究DMFC阳极通道内的气液两相流意义重大。 本文采用计算流体力学软件FLUENT对DMFC阳极通道内的气液两相流进行数值模拟，考察了阳极通道壁面的亲水性质对通道内气液两相流的影响规律。模拟结果表明：当流道侧壁面为憎水性时，CO2气体排出速度较快，但不利于反应物向扩散层方向迁移；当流道侧壁面和扩散层(GDL)表面均为亲水性时，有利于反应物向GDL方向迁移，但CO2气体排出阳极通道的速度较慢；当流道侧壁面为亲水性、GDL表面为憎水性时，既有利于反应物向GDL方向迁移，又有利于CO2气体排出通道。 模拟DMFC阳极通道的结构建立了尺寸为2mmx2mmx149mm的可视化实验装置，并在不同条件下对通道内的气液两相流进行了研究。 研究表明：在通道中具有泡状流、弹状流、环状流以及他们的混合流等流动形态，没有发现分层流和波状流等流动形态；增大液速可以减少通道内弹状流和环状流出现的区域面积；通道的尺寸对通道内流型具有一定的影响；最后通过气体的质量流量分数和气体表观速度得到了固定液速下的流型图。 本文的研究结果对合理的选择DMFC操作条件，提高阳极通道内的传质效率和燃料电池的输出功率具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

声明

第一章前言

第二章文献综述

2.1燃料电池概述

2.1.1燃料电池发展史

2.1.2燃料电池分类、特点及发展趋势

2.2直接甲醇燃料电池

2.2.1 DMFC的工作原理

2.2.2 DMFC的发展现状

2.2.3 DMFC存在的问题

2.3 DMFC内气液两相流的研究进展

2.4微小通道内的气液两相流研究现状

2.4.1两相流简介

2.4.2水平管道内两相流流型分类

2.4.3水平微细通道内两相流流型

2.5影响DMFC阳极通道内气液两相流动的主要因素

2.5.1通道表面宏观结构

2.5.2通道的尺寸以及通道表面的疏水亲水性

2.5.3流体的物理性质

2.5.4通道内气泡的影响

2.5.5实验操作条件的影响

2.6计算流体力学

2.6.1计算流体力学概述

2.6.2 CFD的特点

2.6.3 CFD的具体工作步骤

2.7本文的主要研究内容

第三章壁面亲水性对DMFC阳极通道内气液两相流影响的数值模拟

3.1引言

3.2数值模拟

3.2.1计算域

3.2.2模型假设

3.2.3边界条件

3.2.4网格划分

3.3结果与讨论

3.3.1壁面亲水性对单个气泡运动的影响

3.3.2壁面亲水性对气膜运动的影响

3.3.3壁面亲水性对气液分布的影响

3.4本章小结

第四章DMFC阳极通道内气液两相流流型的实验研究

4.1引言

4.2实验装置和实验方法

4.3实验结果与分析

4.3.1不同气液流速下的流型图

4.3.2不同Dh下的气液两相流流型图

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢