基于超声雾化供给的DMFC传质特性研究
发布时间：2021-02-10 09:06
直接甲醇燃料电池（DMFC）因具有理论能量密度高、操作简单等优点被认为是替代传统锂电池的不二之选。但是直接甲醇燃料电池的推广和应用受到甲醇渗透等问题的影响。本文所依托的课题提出利用超声雾化供给的方式来缓解甲醇渗透,课题前期已经通过实验验证了超声雾化的有效性。本文在此基础上使用仿真的方式来研究超声雾化DMFC中甲醇的传质过程,提出优化甲醇传质、缓解甲醇渗透的措施。本文主要研究内容主要包括以下几个方面:首先,本文将超声雾化DMFC系统甲醇的传质分为三个部分:棉芯传质、雾化片传质以及电池膜传质,并分别建立各个部分传质的仿真模型。棉芯传质部分的模型是将棉芯简化为一定量的毛细管,分析甲醇在单根毛细管中的受力、流动过程以及流速的影响因素。通过仿真研究了棉芯毛细管直径、传质所处的工作环境以及棉芯的放置方式对棉芯传质速度的影响。研究发现:甲醇在棉芯中的传质高度随着棉芯毛细管半径的增大而减小;随着环境温度从20°到50°,甲醇在棉芯内传输的速度越来越大,但甲醇在棉芯中达到的稳定高度随着温度升高而降低。其次,雾化片传质部分采用ANSYS软件对雾化片模型进行模态和...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）雾化供给DMFC三维但是超声雾化DMFC存在许多的技
12第2章基于超声雾化供给的DMFC结构及棉芯传质特性研究2.1基于超声雾化供给的DMFC结构及传质原理2.1.1电池结构及工作原理本研究设计了一种结合主动式和被动式两种供给方式的蒸汽供给DMFC，结构分为三个部分：燃料供给部分、发电部分以及超声驱动部分，如图2-1所示。下面对这三个部分分别进行介绍与描述。图2-1超声雾化电池系统组成燃料供给部分包括蠕动泵和甲醇液体箱，其主要功能是，通过蠕动泵将甲醇泵入发电部分的甲醇储液腔。发电部分按甲醇的传质过程分为三个部分：甲醇在棉芯中的传质、甲醇在雾化片中的传质以及甲醇在电池膜中的传质。发电部分是将甲醇燃料转化为电能的部分，将其单独拆开来看是一个功能完善的典型DMFC。甲醇在发电部分的传质及原理如下：甲醇在棉芯中的传质是利用棉芯的毛细管作用将甲醇从储液腔运输到雾化器系统。而甲醇在雾化器中的传质是借助超声振动或压缩空气等的作用将甲醇
13溶液雾化成微小颗粒的一种装置，主要由超声换能器和网式喷雾头构成。其工作原理是利用换能器将电能转换成机械能，使打有微孔的振子产生高频振动，从而迫使液体从网式喷雾头的孔中甩出形成微小的雾滴。与一般的超声波雾化器相比，这种雾化器能耗更低、体积更孝质量更轻，不仅能制造出超细的颗粒而且雾滴的粒径可以通过改变多种参数来进行调节。雾化后的甲醇雾滴通过雾化腔进入电池阳极参与电化学反应。阳极侧：+-322CHOH+HO→CO+6H+6e0Anode(E=0.046V)（2-1）阴极侧：+-223O+6H+6e3HO2→0Cathode(E=1.23V)（2-2）将两式合并之后的总反应式：32223CHOH+O2HO+CO2→0Cell(E=1.18V)（2-3）在电池膜的阳极上，通过阳极集电板将甲醇溶液供应到阳极催化层，其中部分甲醇被氧化产生电子，质子和，而另一部分则通过电解质膜直接输送到阴极；甲醇从阳极通过电解质膜渗透到阴极被称为甲醇渗透，渗透的甲醇会使电池产生混合电位并降低阴极电位。在阴极上，空气通过阴极集电板扩散到阴极催化层，其中大部分氧气与从阳极通过膜传导的质子和来自阳极的电子反应生成水，剩余部分的氧气与渗透的甲醇发生电化学反应。然后将在阳极上产生的气体和在阴极上产生的液态水排出电池，原理如图2-2所示。图2-2电池膜工作原理示意图[74]超声驱动部分包括信号发生器、功率放大器、阻抗匹配器三部分，其主要作用是给雾化器施加一个合适的驱动频率。信号发生器输出频率与雾化片相对应
【参考文献】：
期刊论文
[1]三角形毛细管内毛细现象的数值模拟[J]. 卢礼萍,魏良淑,蒋夕平. 大学物理. 2018(04)
[2]液态金属超声雾化喷嘴的气雾化性能影响因素[J]. 周珊,刘明翔,隋大山,崔振山. 粉末冶金材料科学与工程. 2017(04)
[3]气态进料直接甲醇燃料电池的二维数值模拟[J]. 谢旭,邓豪,焦魁. 中国科学院大学学报. 2017(02)
[4]毛细上升公式的推导方法及其在方形毛细管中的应用[J]. 赵留鹏,张树永. 大学化学. 2016(11)
[5]超声空化效应在治疗领域中的研究进展[J]. 钟渝,刘政. 临床超声医学杂志. 2016(04)
[6]基于Matlab的超声空化场测量与可视化分析[J]. 郭璇,杨艳玲,李星,周志伟,冀思扬,韩星航,王帅,曾庆品,张浩. 中国环境科学. 2016(03)
[7]直接甲醇燃料电池及系统模型研究进展[J]. 王佳,张晶,黄成德. 电源技术. 2015(04)
[8]PEMFC阴极扩散层结构特性对水淹影响的数值分析[J]. 李英,周勤文,周晓慧. 化工学报. 2013(04)
[9]多种能形式条件下的毛细现象[J]. 何红雨,郭平生. 安徽师范大学学报(自然科学版). 2012(04)
[10]扩散层与催化层对直接甲醇燃料电池性能影响的数值研究[J]. 苗政,何雅玲,李相霖,李小跃. 西安交通大学学报. 2008(07)
硕士论文
[1]超声清洗影响因素与空化场研究[D]. 张明超.陕西师范大学 2013
本文编号：3027128
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）雾化供给DMFC三维但是超声雾化DMFC存在许多的技
12第2章基于超声雾化供给的DMFC结构及棉芯传质特性研究2.1基于超声雾化供给的DMFC结构及传质原理2.1.1电池结构及工作原理本研究设计了一种结合主动式和被动式两种供给方式的蒸汽供给DMFC，结构分为三个部分：燃料供给部分、发电部分以及超声驱动部分，如图2-1所示。下面对这三个部分分别进行介绍与描述。图2-1超声雾化电池系统组成燃料供给部分包括蠕动泵和甲醇液体箱，其主要功能是，通过蠕动泵将甲醇泵入发电部分的甲醇储液腔。发电部分按甲醇的传质过程分为三个部分：甲醇在棉芯中的传质、甲醇在雾化片中的传质以及甲醇在电池膜中的传质。发电部分是将甲醇燃料转化为电能的部分，将其单独拆开来看是一个功能完善的典型DMFC。甲醇在发电部分的传质及原理如下：甲醇在棉芯中的传质是利用棉芯的毛细管作用将甲醇从储液腔运输到雾化器系统。而甲醇在雾化器中的传质是借助超声振动或压缩空气等的作用将甲醇
13溶液雾化成微小颗粒的一种装置，主要由超声换能器和网式喷雾头构成。其工作原理是利用换能器将电能转换成机械能，使打有微孔的振子产生高频振动，从而迫使液体从网式喷雾头的孔中甩出形成微小的雾滴。与一般的超声波雾化器相比，这种雾化器能耗更低、体积更孝质量更轻，不仅能制造出超细的颗粒而且雾滴的粒径可以通过改变多种参数来进行调节。雾化后的甲醇雾滴通过雾化腔进入电池阳极参与电化学反应。阳极侧：+-322CHOH+HO→CO+6H+6e0Anode(E=0.046V)（2-1）阴极侧：+-223O+6H+6e3HO2→0Cathode(E=1.23V)（2-2）将两式合并之后的总反应式：32223CHOH+O2HO+CO2→0Cell(E=1.18V)（2-3）在电池膜的阳极上，通过阳极集电板将甲醇溶液供应到阳极催化层，其中部分甲醇被氧化产生电子，质子和，而另一部分则通过电解质膜直接输送到阴极；甲醇从阳极通过电解质膜渗透到阴极被称为甲醇渗透，渗透的甲醇会使电池产生混合电位并降低阴极电位。在阴极上，空气通过阴极集电板扩散到阴极催化层，其中大部分氧气与从阳极通过膜传导的质子和来自阳极的电子反应生成水，剩余部分的氧气与渗透的甲醇发生电化学反应。然后将在阳极上产生的气体和在阴极上产生的液态水排出电池，原理如图2-2所示。图2-2电池膜工作原理示意图[74]超声驱动部分包括信号发生器、功率放大器、阻抗匹配器三部分，其主要作用是给雾化器施加一个合适的驱动频率。信号发生器输出频率与雾化片相对应
【参考文献】：
期刊论文
[1]三角形毛细管内毛细现象的数值模拟[J]. 卢礼萍,魏良淑,蒋夕平. 大学物理. 2018(04)
[2]液态金属超声雾化喷嘴的气雾化性能影响因素[J]. 周珊,刘明翔,隋大山,崔振山. 粉末冶金材料科学与工程. 2017(04)
[3]气态进料直接甲醇燃料电池的二维数值模拟[J]. 谢旭,邓豪,焦魁. 中国科学院大学学报. 2017(02)
[4]毛细上升公式的推导方法及其在方形毛细管中的应用[J]. 赵留鹏,张树永. 大学化学. 2016(11)
[5]超声空化效应在治疗领域中的研究进展[J]. 钟渝,刘政. 临床超声医学杂志. 2016(04)
[6]基于Matlab的超声空化场测量与可视化分析[J]. 郭璇,杨艳玲,李星,周志伟,冀思扬,韩星航,王帅,曾庆品,张浩. 中国环境科学. 2016(03)
[7]直接甲醇燃料电池及系统模型研究进展[J]. 王佳,张晶,黄成德. 电源技术. 2015(04)
[8]PEMFC阴极扩散层结构特性对水淹影响的数值分析[J]. 李英,周勤文,周晓慧. 化工学报. 2013(04)
[9]多种能形式条件下的毛细现象[J]. 何红雨,郭平生. 安徽师范大学学报(自然科学版). 2012(04)
[10]扩散层与催化层对直接甲醇燃料电池性能影响的数值研究[J]. 苗政,何雅玲,李相霖,李小跃. 西安交通大学学报. 2008(07)
硕士论文
[1]超声清洗影响因素与空化场研究[D]. 张明超.陕西师范大学 2013
本文编号：3027128
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