直接甲醇燃料電池內(nèi)陽極側(cè)兩相流動(dòng)與傳輸特性.pdf

1、能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是直接影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素。當(dāng)今社會(huì)最廣泛使用的能源是煤炭、石油、天然氣。它們在燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等有害物質(zhì)以及噪聲，嚴(yán)重地威脅著人類生存的環(huán)境。而且他們都是不可再生資源，儲量有限。隨著世界人口的迅速增長和人均能源消耗量的持續(xù)增大，全球性能源短缺問題日趨突出。與此同時(shí)，日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題也成為倍受人們關(guān)注的焦點(diǎn)。如果沒有新型能源動(dòng)力，世界

2、將從目前的能源短缺很快走向能源枯竭。因此發(fā)展清潔、高效的新能源動(dòng)力技術(shù)都是刻不容緩的。燃料電池正是以其高效和清潔的特點(diǎn)為人們帶來了曙光。 直接甲醇燃料電池(DMFC)屬于固體聚合物膜燃料電池，具有較高的能量效率和功率密度、環(huán)境友好、啟動(dòng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。而且DMFC具有燃料添加方便和存儲安全、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是最有希望用于電動(dòng)汽車及各種可移動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力電源。因此，在當(dāng)今能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，直接甲醇燃料電池已成為世界各

3、國科研工作者的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 本文采用高速攝影儀追蹤自行制備的可視化DMFC陽極流場板流道內(nèi)局部CO<,2>氣泡的生成、長大、聚合及排出變化規(guī)律，以及整個(gè)陽極流道內(nèi)CO<,2>氣泡流動(dòng)特性，分析了CO<,2>氣泡流動(dòng)對電池性能的影響；研究了DMFC陽極甲醇濃度、甲醇流量、甲醇進(jìn)料溫度、甲醇進(jìn)料方式以及陰陽極壓差等操作參數(shù)對CO<,2>氣體的流動(dòng)特性和電池性能的影響；同時(shí)也研究流場結(jié)構(gòu)對氣泡生長和分布特性以及電池性能的影響。并針對

4、直接甲醇燃料電池陽極擴(kuò)散層和催化層以及質(zhì)子交換膜內(nèi)的傳輸現(xiàn)象建立理論模型，重點(diǎn)討論了催化層中各參數(shù)對電池性能的影響。本文對陽極流道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的阻力特性也進(jìn)行了研究，討論了甲醇流量、進(jìn)料濃度、電池溫度、流道寬度對壓降的影響。主要研究成果如下： 1 自行制備可視化直接甲醇燃料電池。利用透明體材料制作電池夾具，利用碳布、Nation117等制備MEA，利用不銹鋼材料加工流場板，最后組裝成有效面積為9cm<'2>的陽極可視化的直接甲

5、醇燃料電池。 2 對可視化直接甲醇燃料電池行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀察了平行流道內(nèi)兩相流動(dòng)的規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：恒電流放電時(shí)，CO<,2>氣泡在流道內(nèi)擴(kuò)散層表面與流道側(cè)壁面的角區(qū)首先出現(xiàn)，并在碳布纖維束之間的交叉空隙中優(yōu)先生成，然后經(jīng)過聚合、長大、形成大的不連續(xù)的氣彈，兩相流周期性地重復(fù)出現(xiàn)；氣彈排出過程中，氣體覆蓋率逐漸減小，氣彈的排出速度均勻；隨著甲醇溶液流量的增加，CO<,2>氣泡從流道中排出的速度加快，電池性能提高，

6、而當(dāng)甲醇流量增加到一定程度，電池性能幾乎不再受甲醇流量的影響；隨著甲醇溶液溫度升高，流道內(nèi)CO<,2>氣泡生成及聚合過程特征變化不大，但電池性能得以提高；當(dāng)甲醇濃度在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，流道內(nèi)氣泡變化不大，電池的性能也隨之提高，但濃度過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池性能急劇下降；隨著陰陽極壓差的增大，流道內(nèi)的CO<,2>氣泡增多，且體積較大的氣彈也增多；但壓差逐漸變大時(shí)，催化劑表面氧氣濃度的提高和甲醇滲透減弱造成了電池性能提高。觀察了蛇形流道內(nèi)兩相流動(dòng)的

7、情況，得出以下結(jié)論：隨著甲醇流量的增大，流道內(nèi)單個(gè)氣泡的體積減小，電池的性能提高；甲醇濃度增大，流道內(nèi)單個(gè)氣泡的體積變大，由氣泡聚合而成的氣彈長度變長，較長氣彈的數(shù)量也隨之增多；當(dāng)甲醇濃度從1mol/L增大到4mol/L時(shí)，電池的性能先提高后下降。下進(jìn)料方式有利于陽極電化學(xué)反應(yīng)生成的CO<,2>氣泡的排出，電池的性能較高。研究了不同流場結(jié)構(gòu)對氣泡生長和分布特性以及電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)兩種流場結(jié)構(gòu)進(jìn)口甲醇體積流量相等時(shí)，同一電

8、流密度下，平行流場流道內(nèi)存在的氣泡較多，而蛇形流場流道內(nèi)只有很少量的氣泡，采用蛇形流場的電池性能較高；當(dāng)兩種流場結(jié)構(gòu)單通道進(jìn)口甲醇體積流量相等時(shí)，同一電流密度下，平行流場流道內(nèi)存在的氣泡較多，而蛇形流場流道內(nèi)存在的氣泡較少，采用平行流場的電池性能較高；當(dāng)兩種流場結(jié)構(gòu)進(jìn)口甲醇質(zhì)量流量相等時(shí)，小電流密度下，平行流場流道內(nèi)存在的氣泡較多，電池性能較高；而大電流密度下，蛇形流場流道內(nèi)存在的氣泡較多，電池性能較高。催化層內(nèi)從擴(kuò)散層側(cè)到質(zhì)子交換膜側(cè)

9、，甲醇濃度逐漸降低，而且進(jìn)料濃度越大，甲醇濃度梯度越大；放電電流密度越大，催化層內(nèi)甲醇濃度梯度越大，同一位置的甲醇濃度越低。催化層內(nèi)沿?cái)U(kuò)散層至質(zhì)子交換膜的方向，質(zhì)子電流密度非線性地增大；越靠近質(zhì)子交換膜一側(cè)，質(zhì)子電流密度增大的速度越快。催化層內(nèi)L1至L2處電池的陽極過電位呈非線性增大，而且放電電流密度越高，過電位增大的越快；擴(kuò)散層內(nèi)從流道側(cè)到催化層側(cè)，甲醇的濃度逐漸降低，且甲醇的進(jìn)料濃度越大，擴(kuò)散層內(nèi)甲醇濃度梯度越大。流道內(nèi)的甲醇濃度沿