微型直接甲醇燃料电池阳极流场结构影响研究

发布时间：2017-10-05 04:08

  本文关键词：微型直接甲醇燃料电池阳极流场结构影响研究

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【摘要】：近年来,微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell, μDMFC)由于高比能、高效、易构建、快速加燃料、燃料便于存储、环境友好等优势,被认为是一种极有应用前景的便携式产品。然而,诸多技术难题阻碍了人们对它的广泛应用。其中,阳极流场板主要用于供应、分配甲醇燃料与排出产物,并收集电流。因此,其设计的合理与否将直接影响到电池性能。本文围绕传统流场与新型含超疏水气体通道流场的结构展开了系统研究。之前的研究倾向于从有限的、分离的阳极流场结构样本中揭示阳极流场对电池性能影响的基本规律,并且多数研究忽视了阳极流场设计中不同几何参数对电池性能的交叉影响。为此,本文采用响应面参数分析法(Response Surface Methodology, RSM)建立了在一个确定的参数空间内描述μDMFC阳极流场结构参数对电池输出性能连续的、交叉的全局影响的关系模型。首先,基于连续性方程、Navier-Stokes方程、Butler-Volmer方程等建立了μDMFC的三维数值模型。对模型求解,可输出电池的峰值功率密度。然后,建立了RSM关系方程,并设计实验进行了验证。对RSM模型的分析表明,40%-50%的流场开孔率能获得最高的电池输出性能,而更大开孔率时增大的甲醇渗透速率或更小开孔率时增大的传质阻力都会降低μDMFC的性能。对于相同的甲醇流量30m1/h,当沟道深度从0.6mm降低至0.3mm时,甲醇水溶液的流速会增大,导致其质量传递系数增大,但进一步减小的沟道深度会导致有效质量传递系数减小。对于相同的开孔率及适中的沟道深度0.4mm,沟道长度的增加使甲醇传质更充分、分配更均匀,因而提高电池的性能。最后,通过RSM方程给出了特定参数空间内的最佳流场结构参数。在传统流场结构的基础上,设计了三种(蛇形流场、螺旋流场、平行流场)含有超疏水排气微通道、气液通道嵌套排布的新型流场。采用有限元分析中的Level Set方法建立了三种新型流场和三种传统流场的数值模型。组装了含新型流场的单电池进行CO2气泡原位测试和压降的测量。模拟与实验结果都显示,部分气泡通过扩散层后会通过气体通道排出,而主液道中的气泡数量明显减少,且没有长气塞出现。同时,有气体通道的蛇形、螺旋和平行流场的平均压降相比传统流场分别降低了43.3%、50.5%和62.5%;压降振幅分别降低了传统蛇形流场的20%、传统螺旋流场的57%、传统平行流场的25%。反映出新型流场能够有效促进CO2气体的排出,提高反应物传输的效率。
【关键词】：微型直接甲醇燃料电池 流场板 三维数值模型 响应面参数分析法 两相流
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 微型直接甲醇燃料电池概述9-13
• 1.1.1 微型直接甲醇燃料电池结构和工作原理9-11
• 1.1.2 微型直接甲醇燃料电池研究进展11-13
• 1.2 μDMFC流场板研究进展13-15
• 1.2.1 μDMFC流场板流场结构设计研究13-14
• 1.2.2 μDMFC流场板流场表面改性研究14-15
• 1.3 μDMFC阳极流场气液两相传输研究15
• 1.4 响应面参数分析法概述15-17
• 1.5 本文的工作思路及研究内容17-19
• 2 微型直接甲醇燃料电池的数值模拟19-32
• 2.1 模型计算区域与基本假设19-20
• 2.2 控制方程20-25
• 2.2.1 物质守恒20-22
• 2.2.2 动量守恒22-23
• 2.2.3 质量守恒23-24
• 2.2.4 电化学反应24-25
• 2.3 边界条件25
• 2.4 模型求解25-27
• 2.5 模型验证27-31
• 2.6 本章小结31-32
• 3 μDMFC阳极微流场结构参数对电池性能的全局影响32-42
• 3.1 阳极微流场结构参数的RSM模型32-34
• 3.2 RSM模型的实验验证34-35
• 3.3 RSM模型结果与讨论35-41
• 3.3.1 阳极微流场开孔率对电池性能的影响36-37
• 3.3.2 阳极微沟道深度对电池性能的影响37-39
• 3.3.3 阳极微流场沟道深与肋宽对电池性能的综合影响39-40
• 3.3.4 阳极微流场总长度对电池性能的影响40-41
• 3.3.5 最优的阳极微流场结构参数41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 超疏水排气微通道对μDMFC阳极气液两相流的影响42-59
• 4.1 新型流场板设计43-45
• 4.2 超疏水排气微通道对μDMFC阳极气液两相流影响的数值模拟45-53
• 4.2.1 模型计算区域45-46
• 4.2.2 建模理论46
• 4.2.3 模型求解46-47
• 4.2.4 结果与讨论47-53
• 4.3 模型验证53-58
• 4.3.1 电池制造与测试系统的搭建53-55
• 4.3.2 CO_2气泡行为的原位测试55-56
• 4.3.3 液体通道压降分析56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况65-66
• 致谢66-67

【参考文献】

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本文编号：974654