液態(tài)進(jìn)料直接甲醇燃料電池陽(yáng)極流場(chǎng)內(nèi)兩相流的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、燃料電池是一種通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。燃料電池的效率比傳統(tǒng)的熱機(jī)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(diǎn)。 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(jì)九十年代以來(lái)，直接甲醇燃料電池的研究有了很大的進(jìn)展。 與氣態(tài)進(jìn)料的直接甲醇燃料電池相比，盡管液態(tài)進(jìn)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(yùn)行等一系列優(yōu)勢(shì)。液態(tài)進(jìn)料的直接甲醇燃料電池近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，并被認(rèn)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(dòng)的和便攜的設(shè)備以及城市交通當(dāng)中。 直接甲醇燃料電池涉及電化學(xué)、催化、膜科學(xué)與工程、熱物理等許多學(xué)科。目前，該領(lǐng)域的絕大部分研究都集中在：開(kāi)發(fā)新型的陽(yáng)極甲醇催化氧化劑；開(kāi)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(xué)反應(yīng)發(fā)生在電池內(nèi)部的流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)過(guò)程密切相關(guān)，但是有關(guān)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中生成的CO2氣體的的傳遞、結(jié)合、移動(dòng)和排出的過(guò)程對(duì)電池性能的影響的實(shí)驗(yàn)研究還不系統(tǒng)。 作者設(shè)計(jì)了透明的直接甲醇燃料電池，建立了燃料電池測(cè)試系統(tǒng)，并在不同工況下利用可視化技術(shù)對(duì)直接甲醇燃料電池陽(yáng)極兩相流以及流道內(nèi)CO2氣泡對(duì)電池性能的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)得到了不同流場(chǎng)中CO2氣泡運(yùn)動(dòng)和氣液兩相流流動(dòng)隨實(shí)驗(yàn)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(yáng)極流道內(nèi)部流體的流動(dòng)，為改善直接甲醇燃料電池的氣體管理和強(qiáng)化傳質(zhì)提供優(yōu)化設(shè)計(jì)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(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)反應(yīng)物的流量、壓力、溫度以及電池負(fù)載等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與控制。同時(shí)，該性能測(cè)試系統(tǒng)與作者自行設(shè)計(jì)的透明電池以及由高速攝影儀和數(shù)碼相機(jī)組成的拍攝系統(tǒng)共同構(gòu)成了直接醇燃料電池陽(yáng)極可視化的研究平臺(tái)。

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(cuò)流場(chǎng)直接甲醇燃料電池內(nèi)CO2氣泡和兩相流流動(dòng)的影響。研究表明，CO2氣體會(huì)積聚在電池進(jìn)口流道內(nèi)；電流密度增大和溫度升高都會(huì)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?chǎng)內(nèi)氣泡和氣液兩相流影響很顯著。電池順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電池性能都會(huì)下降。 3.對(duì)電流密度、甲醇流量、溫度和電池方向?qū)ζ叫辛鲌?chǎng)中CO2氣泡和氣液兩相流流動(dòng)的影響進(jìn)行了可視化研究。實(shí)驗(yàn)