微重力下直接甲醇燃料电池阳极流场内两相流的实验研究

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1、俩萤摘要微重力科学应载人航天发展丽迅速发展起来，是当今世器的前沿学科之一。微重力条件下的气液两相流动是空间技术领域必须解决的关键技术问题之一，具有重要的学术意义和重大的应用价值。燃料电池楚～种邋过电化学反应持续地烙燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装罱，因其高比功率、高比能量，响应速度快、可大功率、长时间供电的特点，在航天领域中的应用又开始得到重视。在空间微重力环境中，质子交换膜燃料电池内部倦密电化学反应魄两耀流动将呈现出和常规两相流动迥然不同的特性，给燃料电池气液管理提出w『新的挑战，成为质子交换膜燃料电池技术发展中妪待解决的关键技术问题之一

2、。本文设计了透明的壹接甲醇燃料电浊，建立了燃料电池测试系统，弗分别在常重力和微重力环境下利用可视化技术对直接甲醇燃料电池阳极两相流动以及流道内C02气泡对电池性能的影响进行了研究。实验得到了微藿力条件下鬣接甲醇燃料电池内部伴有电化学反应的气液两相流动图像和摆应电性能等实验数据，揭示出了俸有化学反应的气液两相流特点、气泡生长与脱离规律以及重力因素对燃料电池性能的影响规律，为质子交换膜燃料电池在航天领域的应用提供了可靠的科学数据和设计与运控指导。本文的主要工作及取得的主要成果如下：1．建立了短时微重力落塔实验专用直接甲醇燃料电池性能测试系统。该测试系统与

3、作者自行设计的透瞬燃料电淮以及落塔系统共同构成了微重力环境下直接甲醇燃料电池阳极流道可视化的研究平台。该实验系统在测量和采集燃料电池电性能输出的同时，可实时观察燃料电池内部的两相流动。2．分别在常重力与徽重力环境下，可视忧研究了毫流密度对直接译醇燃料露'憩内C02气泡和两相流流动的影响。研究表明，不管是在常重力条件下还是微重力条件下，随着电流密度增大，流道内气体量增多，气泡尺寸变大。但在微霍力条件下，气泡的数量魄常重力下明湿增多，而且尺寸交大，气泡形状也由椭球形变为球形。同时，在微蓬力环境下电池的性能较常重力环境下有所下降，而且随着浓差极化程度的加深

4、，性能下降的幅度越大。3．分别在常重力与微重力环境下，对电池温度对直接甲醇燃料电池内cOz气泡lE京F她凡学T掌坝I掌{t!渔义一!鼍鼍詈!苎曼烹蔓!奠曼嘲篡曼曼罡!曼!型曼燮曼!曼差鳓曼!曼鼍舅曼!曼曼苎兰曼曼!曼舞!烹曼鼎攀竺曼舞篡鼍!曼鼍鼍鼍!s一和气液爨相流流动的彩稍进行了呵观亿研究。实验结果表明，不管迳在常重力下还是微逅力条件下，随着电池温度的升高，流道内气体量增多，气泡尺、J+变大。但在微重力条掌#下，气海的数量比常重力下明显增多，而曩尺寸‘明显变大，气泡形状也由椭球形变为球形，在离温时流道内有大的气弹生成。4。对微熏力环境4i同电池温度

5、下电池的电性能与常重力环境下的电性能进行了比较分橱。在常重力环境下，升高电泡的溢度能增强催仡剂的活性，强化反应物在电池内部的传递，提高矮子交换膜的传导率，困丽电浊性能提高。在微熏力环境下电池的性能较常重力环境下有所下降，温度越赢性能下降的慎度越大。因此，在徽重力环境下升高电沲滚度并不一定能提高电池的性能。关键词微重力；直接甲醇燃料电池：气液两相流：可视化；落塔北京T一盐夫。￥：丁学硕}学位论艾生热输运和质量输运，在微重力环境F，由重力引起的自然刘流被削弱，由表而温度梯度弱浓度梯度弓

6、起的表面能差形成豹Marangoni对流是主要的；另外被重力场中自然

7、对流掩盖的扩散过程也成为输运热量和质薰的主要过程Ⅲj。在微重力下，重力减小使得因温度刁i同所引起的流体自然对流现象减弱，容器中的流体也只有在表面张力的作用一F才能运动。气体出现失重，这将严重影响传热过程，铡如一些在地蓖上依靠气体的自然对流散热的仪器和元件突然失去自然对流作用，热量排散受阻，温度很快升高口”。一些在熏力场下被忽略的效应，例如表面张力和汽相动量程微重力条件下可以交得相当重要。在常重力条{争下，菲常小驰温差或翥过热度或者避冷度通常认为是不重要的，但当过程被限制在微重力条件下时，必须考虑它们的影响，并且应给予足够的重视【2⋯。13．2．2微重

8、力条件下的两楣流由于气、液两相介质闷一般都存在着很大的密度差，常重力条件下重力对其流动特征及流型的产生与转换往往起着主导作用，同时也成为流型复杂化的主要根源。丽在微重力条件下，重力的影响大大减弱，从而消除了在常重力下出重力作用导致的流动的嚣对称性及分整流动现象，使流型大大箍化掰l。在常重力和微重力条件下，水平管内受迫两相流都有泡状流、弹状流、弹．环状过渡流和环状流4种典型流烈。水平管内常重力和微蕻力流型的最落差异在于：微重力沆型相砖予流遘中心爨每一定戆对称性，瑟常重力条件下气褪在浮力作耀下偏于水平流道上部。此外，微熏力条件下弹状流中气圜前端呈半球(或

9、椭球)状，界面相当光滑。而常重力条件下界面十分粗糙，存在较大幅度的不规则界面波【251。同时，在微重力环境中