液態(tài)進料直接甲醇燃料電池陽極流場內(nèi)兩相流的實驗研究.pdf

1、燃料電池是一種通過電化學反應(yīng)持續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的電化學發(fā)電裝置。燃料電池的效率比傳統(tǒng)的熱機效率高，而且還有環(huán)境友好、可靠性高、靈活性好、噪音小等優(yōu)點。 質(zhì)子交換膜直接甲醇燃料電池以氣態(tài)甲醇或甲醇溶液作為燃料，采用固體聚合物作為其電解質(zhì)。二十世紀九十年代以來，直接甲醇燃料電池的研究有了很大的進展。 與氣態(tài)進料的直接甲醇燃料電池相比，盡管液態(tài)進料的直接甲醇燃料電池的電極反應(yīng)較慢，但是它也具有熱管理系統(tǒng)

2、復(fù)雜程度較低，系統(tǒng)尺寸減小，重量下降，可以在常溫下運行等一系列優(yōu)勢。液態(tài)進料的直接甲醇燃料電池近年來受到了越來越多的關(guān)注，并被認為有希望作為下一代的主電源或輔助電源應(yīng)用于固定的、移動的和便攜的設(shè)備以及城市交通當中。 直接甲醇燃料電池涉及電化學、催化、膜科學與工程、熱物理等許多學科。目前，該領(lǐng)域的絕大部分研究都集中在：開發(fā)新型的陽極甲醇催化氧化劑；開發(fā)能減少甲醇竄流的膜；尋找耐甲醇的陰極氧氣還原反應(yīng)催化劑等。盡管質(zhì)子交換膜直接甲醇

3、燃料電池的性能在很大程度上與伴隨著電化學反應(yīng)發(fā)生在電池內(nèi)部的流體流動和傳熱傳質(zhì)過程密切相關(guān)，但是有關(guān)電池內(nèi)部電化學反應(yīng)過程中生成的CO2氣體的的傳遞、結(jié)合、移動和排出的過程對電池性能的影響的實驗研究還不系統(tǒng)。 作者設(shè)計了透明的直接甲醇燃料電池，建立了燃料電池測試系統(tǒng)，并在不同工況下利用可視化技術(shù)對直接甲醇燃料電池陽極兩相流以及流道內(nèi)CO2氣泡對電池性能的影響進行了研究。實驗得到了不同流場中CO2氣泡運動和氣液兩相流流動隨實驗工況

4、變化的一些初步規(guī)律。這有助于人們了解直接甲醇燃料電池陽極流道內(nèi)部流體的流動，為改善直接甲醇燃料電池的氣體管理和強化傳質(zhì)提供優(yōu)化設(shè)計思路。 本文的主要工作及取得的主要成果如下：1.建立了直接甲醇燃料電池單電池性能測試系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)可以對反應(yīng)物的流量、壓力、溫度以及電池負載等參數(shù)進行測量與控制。同時，該性能測試系統(tǒng)與作者自行設(shè)計的透明電池以及由高速攝影儀和數(shù)碼相機組成的拍攝系統(tǒng)共同構(gòu)成了直接醇燃料電池陽極可視化的研究平臺。

5、2.可視化研究了電流密度、甲醇流量、溫度以及電池方向?qū)诲e流場直接甲醇燃料電池內(nèi)CO2氣泡和兩相流流動的影響。研究表明，CO2氣體會積聚在電池進口流道內(nèi)；電流密度增大和溫度升高都會使流道內(nèi)氣泡增多，提高甲醇流量有利于流道內(nèi)氣泡的排出。電池的方向?qū)α鲌鰞?nèi)氣泡和氣液兩相流影響很顯著。電池順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時，電池性能都會下降。 3.對電流密度、甲醇流量、溫度和電池方向?qū)ζ叫辛鲌鲋蠧O2氣泡和氣液兩相流流動的影響進行了可視化研究。實驗