基于VOF方法的μDMFC陽極溝道內(nèi)氣液輸運特性研究.pdf

1、微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）由于其環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料儲存攜帶方便等獨特的優(yōu)勢，在便攜式電子設備領域受到廣泛關(guān)注。研究μDMFC陽極流場內(nèi)氣液輸運特性，消除CO2氣泡阻塞的不利影響，增強反應物的輸運和傳質(zhì)效率，是提高μDMFC輸出性能的重要途徑之一。
　　本文首先從微孔上單氣泡行為特性入手，建立了甲醇溶液通流條件下孔口單氣泡脫離直徑的數(shù)學模型

2、，獲得了單氣泡的脫離直徑隨CO2氣體速度、甲醇溶液速度和擴散層孔徑的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明：單氣泡脫離直徑隨CO2氣體速度和擴散層孔徑的增大而增大，隨甲醇溶液速度的增大而減小。此外，分析了溝道內(nèi)氣泡段的受力情況，建立了溝道內(nèi)氣泡段的運動模型。
　　采用VOF方法研究了μDMFC陽極流場微溝道內(nèi)CO2氣泡的生長及脫離行為特性，分析了CO2氣體生成速度、甲醇溶液速度、擴散層親疏水性、擴散層孔徑和擴散層微孔位置等參數(shù)對單氣泡脫離行為特性

3、的影響規(guī)律。
　　采用VOF方法研究了μDMFC陽極流場微溝道內(nèi)氣泡段的運動特性，分析了CO2氣體生成速度、甲醇溶液速度、溝道尺寸和截面深寬比對溝道內(nèi)壓降特性的影響規(guī)律，并結(jié)合采用分相流模型推導的溝道內(nèi)壓降的計算公式進行了數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果對比驗證。
　　研究了截面形狀對μDMFC陽極流場溝道內(nèi)氣液輸運的影響。針對三角形、梯形、半圓形和矩形四種不同溝道截面形狀，分別建立了定深寬尺寸和定橫截面積兩種情況下的溝道模型，分

4、析了溝道截面形狀對μDMFC陽極流場溝道內(nèi)壓降和含氣率的影響。研究結(jié)果表明：三角形截面溝道內(nèi)壓降最大，含氣率最低；矩形截面溝道內(nèi)壓降最小，含氣率最高。因此，三角形截面溝道最有利于CO2氣泡的排出，而矩形截面溝道最不利于氣液輸運。
　　改變溝道親疏水特性，完成了μDMFC陽極流場溝道內(nèi)氣液輸運數(shù)值模擬，對比研究了不同親疏水特性對溝道內(nèi)壓降和含氣率的影響。研究結(jié)果表明：溝道親水性越強越有利于CO2氣泡的排出。在此基礎上研究了溝道側(cè)壁親