试析直接甲醇燃料电池阳极通道内气泡特性及通道结构改进研究

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2、ngUniversityofTechnology,HangzhouApril2010浙江工业大学学位论文原创性声明lIIIIIFIIIIIIIII＼1776654本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：铴蜡吼砷年孓月形日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使

3、用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。，2、不保密阢(请在以上相应方框内打“√”)作者签名导师签名日期：浙年夕月衫日日期：洲珲f月形日浙江工业大学硕十学位论文直接甲醇燃料电池阳极通道内气泡特性及通道结构改进研究摘要在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，催化层上由电化学反应产生的二氧化碳气体能否及时通过扩散层进入阳极通道并排出电池，对电

4、池性能具有重要的影响，因此研究直接甲醇燃料电池阳极通道内的气液两相流对电池的优化具有非常重要的意义。本论文利用可视化实验和数值模拟相结合的方法研究了微通道内的气泡行为，提出了直接甲醇燃料电池阳极通道设计的新思路，以期对直接甲醇燃料电池的发展提供参考。在可视化实验中，利用气泡的中心及端点坐标、当量直径、倾斜角、与壁面的接触直径以及脱离孔口的时间表征气泡行为，考察了气速、液速以及浮力对气泡行为的影响。结果表明：气泡的形成过程可分为孕育阶段、生长阶段和脱离阶段，气泡的生长阶段又可分为快速生长阶段和缓慢生长阶段。随着气速的增大，产生气泡的时间间隔变短，气泡间聚并的位置逐渐向前移

5、动；同一时刻气泡的中心坐标、当量直径、气泡左右两端坐标及倾斜角变大；气泡与壁面接触直径的增长速率随气速的增加而变大，但最终趋于一稳定值；气泡脱离孔口的时间随气速的增加先减小后增大。随着液速的增大，气泡由弹状流向泡状流渐变，气泡中心坐标在X方向变大，而在】，方向变小；气泡生长过程中当量直径的增长速率无明显差异，但最终形成气泡的当量直径减小；在气泡形成初期，液速对气泡左右两端坐标影响较小，当气泡生长到一定体积时，气泡左右两端横坐标随液速的增大而变大；气泡的倾斜角及与壁面的接触直径随液速的增大而减小；气泡脱离孔口的时间随液速的增大先急剧变小后趋于平缓。浮力的作用使竖直向下形成

6、气泡的速率较慢且气泡难于脱离孔口。在数值模拟中，本论文利用FLUENT针对阳极通道内部结构对二氧化碳气泡行为的影响进行了数值模拟，结果表明：DMFC阳极通道内置入竖直挡板在一定范围内有利于二氧化碳气泡脱离扩散层孔口，随着置入挡板高度的增加，二氧化浙江工业大学硕士学位论文碳气泡脱离扩散层孔口的时间变短，脱离时二氧化碳气泡的直径变小；当挡板倾角在60。～70。之间时，对二氧化碳气泡排出阳极通道较为有利。在DMFC阳极通道内加入倾斜挡板不仅有利于气泡快速脱离扩散层孔口，而且可以使气泡在远离扩散层的区域内排出阳极通道；但是倾斜挡板不宜过厚，否则会引起气泡在挡板附近的往复运动而不

7、利于气泡脱离扩散层孔口。同时，本论文利用FLUENT针对气泡排出阳极通道的过程进行了数值模拟，结果表明：当二氧化碳气泡以典型的泡状流形式排出通道时，气泡排出阳极通道的平均速度随着气泡直径的变大而变大，其增长趋势先较缓慢后较快而后又略有减缓；当二氧化碳气泡以典型的弹状流排出通道时，气泡排出通道的平均速度几乎不受气泡大小的影响。随着甲醇溶液流速的增大，典型泡状流排出阳极通道的速度先增长较缓慢，后增长较快；而典型弹状流排出阳极通道的速度随甲醇溶液流速的增大呈线性增长，且其速度与甲醇溶液的流速相当。关键词：DMFC，阳极通道，两相流，气泡行为，C