被動(dòng)式DMFC氣泡行為的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬.pdf

1、被動(dòng)式直接甲醇燃料電池(Passive DMFC)工作過(guò)程中，甲醇經(jīng)過(guò)擴(kuò)散層傳遞到催化層進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，其所產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w能否及時(shí)脫離擴(kuò)散層對(duì)電池性能具有重要影響，因此研究被動(dòng)式直接甲醇燃料電池內(nèi)的氣泡行為對(duì)提高電池性能具有重要意義。
　　 由于擴(kuò)散層孔徑是微米級(jí)的，且氣體在其中以自由擴(kuò)散形式運(yùn)動(dòng)，采用單一實(shí)驗(yàn)的方法很難詳細(xì)了解氣泡行為，因此本論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，以期更深入了解通道內(nèi)的氣液兩相流。實(shí)驗(yàn)過(guò)程考察氣泡在

2、單孔和雙孔處的脫離機(jī)理，重點(diǎn)研究了氣速對(duì)氣泡初始形成，脫離上升及碰撞融合過(guò)程的影響。對(duì)作用在氣泡上的作用力進(jìn)行分析，并利用氣泡直徑和接觸環(huán)直徑來(lái)計(jì)算作用力大小，分析氣泡形成脫離機(jī)理。還考察了氣泡的形成直徑，形狀變化及上升速度隨傾斜角度的變化，找出影響氣泡脫離因素。數(shù)值模擬過(guò)程采用VOF模型對(duì)氣泡形成及脫離過(guò)程進(jìn)行二維模擬，利用氣泡脫離時(shí)間、脫離直徑及接觸環(huán)直徑來(lái)表征氣泡行為，考察了孔徑大小、擴(kuò)散層孔口傾斜度、擴(kuò)散層潤(rùn)濕性以及氣體流速對(duì)氣

3、泡行為的影響?？疾鞖馀菖c擴(kuò)散層的接觸直徑、氣泡形狀及周圍流場(chǎng)的變化，并與本文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和前人研究的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相互驗(yàn)證。
　　 利用高速攝影儀通過(guò)可視化方法主要得到如下結(jié)論：
　　 (1)氣泡形成初期，浮力作用小，在表面張力作用下以近似球形形狀生長(zhǎng)；隨著氣泡不斷長(zhǎng)大，浮力和氣液界面張力作用使其縱向被拉長(zhǎng)，中心不斷升高，同時(shí)其尾部受到液體剪切作用不斷變細(xì)，而后脫離。氣速較小時(shí)，氣泡以較小的直徑逐個(gè)脫離；隨著氣速增大，氣泡初

4、始形成直徑變大，脫離前會(huì)出現(xiàn)一個(gè)類似“頸部”結(jié)構(gòu)的氣液界面，這個(gè)界面隨氣體進(jìn)入而形成小氣泡。前級(jí)氣泡尾部通過(guò)后級(jí)小氣泡與孔口連接，隨著后級(jí)氣泡變大，氣泡之間發(fā)生單次融合或多次融合，形成更大的直徑后脫離。融合過(guò)程使氣泡不穩(wěn)定，氣液界面產(chǎn)生波動(dòng)，出現(xiàn)正方形，蘑菇形，橢圓形和帽形等多種形狀變化。隨著氣泡位置不斷升高，不再和后級(jí)小氣泡碰撞融合，最后在溶液中震蕩上升。
　　 (2)孔口向下的擴(kuò)散層表面，氣泡在其上滑動(dòng)的臨界角度隨甲醇濃度升

5、高而減小，滑動(dòng)速度隨傾斜角度增大而變大。表而張力和粘度影響氣泡的形成直徑，氣泡直徑隨甲醇濃度升高而減小。在相同條件下，雙孔相比于單孔口處形成的氣泡直徑大，脫離時(shí)間長(zhǎng)。氣泡在豎直擴(kuò)散層表面脫離過(guò)程中，氣體進(jìn)入1M的甲醇溶液中形成直徑較大的氣泡，并粘附在擴(kuò)散層表面向上滑動(dòng)，上升速度為0.075m/s。SM甲醇溶液中，氣泡脫離擴(kuò)散層在溶液中呈螺旋形路徑上升，碰撞到壁面時(shí)壓縮、反彈而后脫離壁面繼續(xù)上升。氣泡在溶液中由于左右兩邊受力不均勻，上升軌

6、跡呈“之”字形或“螺旋”形，在這個(gè)過(guò)程中氣泡形狀和上升速度不斷變化。相同孔口處產(chǎn)生的氣泡，后續(xù)氣泡會(huì)受到前級(jí)氣泡脫離時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)影響，因此氣泡直徑隨脫離順序而不斷變化。
　　 采用FLUENT模擬軟件通過(guò)數(shù)值模擬方法得到如下結(jié)果：
　　 (3)氣泡形成過(guò)程中，其內(nèi)部壓力先迅速減小，而后趨于平緩。氣泡長(zhǎng)大過(guò)程中，內(nèi)部氣體最大速度矢量小于進(jìn)氣速度；即將脫離時(shí)，氣體最大速度矢量先迅速增大而后減小。傾斜擴(kuò)散層表面生成的氣泡，其脫

7、離周期比水平擴(kuò)散層表面短，脫離直徑小。在相同氣速下，隨著孔口直徑的增大，氣泡形成直徑變大，脫離周期變短。氣泡與擴(kuò)散層的接觸角越接近90°，其與擴(kuò)散層的接觸面積就越大，不易脫離。進(jìn)氣速度能改變氣泡的生成頻率和氣泡的生長(zhǎng)狀態(tài)，氣速低時(shí)，氣泡逐個(gè)脫離，脫離位置較低，直徑??；氣速較高時(shí)，氣泡間聚并融合，脫離時(shí)的直徑大。氣泡上升過(guò)程的擺動(dòng)幅度隨直徑增大而變大，直徑較小的氣泡在溶液中以螺旋形路徑上升，氣泡形變隨直徑的變大而變大。相同直徑的氣泡，其擺