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直接甲醇燃料电池阳极通道内气泡行为研究

作　者: 张怀生
导　师: 姚克俭；王良华
学　校: 浙江工业大学
专　业: 化学工程
关键词: 直接甲醇燃料电池两相流阳极通道数值模拟气泡行为平均当量直径气含率脱离直径脱离时间
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 38次
引　用: 3次
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内容摘要

在直接甲醇燃料电池中,CO₂气体从扩散层以气泡形式进入阳极通道。若气泡快速脱离扩散层,排出阳极通道,使得甲醇溶液能顺利通过扩散层扩散至催化层发生电化学反应,则有利于电池性能的提高。因此,研究直接甲醇燃料电池阳极通道内的气液两相流对提高电池性能具有非常重要的理论指导意义。本论文采用可视化实验的方法研究了阳极通道内的气液两相流行为,同时采用FLUENT6.2.16数值模拟了气体从扩散层进入阳极通道气泡形成、脱离及聚并过程。实验结果如下:气泡平均当量直径先是随着液速的增大而减小,而后基本不变;在液速较小时,随着气速的增大,气泡平均当量直径先是变化不大,而当气速增大到一定程度时,气泡平均当量直径增大的较大;在液速较大时,随着气速的增加,气泡平均当量直径先增大,而后变化不太明显;在液速较小时,单孔时的气泡平均当量直径比多孔时大,而在液速较大时,多孔时的气泡平均当量直径比单孔时大;通道内的气含率随着气泡生成而呈不规则的周期性地变化,液速越大,变化越缓慢;通道内的平均气含率随液速的增大而减小,随气速的增大而增大,孔数较多时,其变化趋势变缓慢。模拟结果如下:气泡脱离时间随液速的增大而减小,随孔道直径的增大而增大,随气体速度增大先呈减小趋势,而后呈增大趋势;气泡脱离时的直径随液体流速的增大而减小,随孔道直径的增大而增大,随气体流速增大先呈增大趋势,而后变化不大,最后又呈增大趋势;由于气泡阻挡及挤压作用,使得气泡周围的压力分布与单孔时不同,两气泡同时形成的过程与单个气泡的形成过程有所不同;孔间距较小时,气泡在未脱离之前就聚并,孔间距较大时,气泡脱离之后聚并;随着孔数的增多,气泡聚并个数增多,脱离最后一个孔口时的气泡直径越大;与常规通道相比,在梯形通道中,气泡间的聚并发生得较少,且聚并气泡脱离最后孔口时直径较小。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
符号说明  12-14
第一章前言  14-16
第二章文献综述  16-36
  2.1 燃料电池概述  16-17
  2.2 直接甲醇燃料电池(DMFC)  17-28
    2.2.1 DMFC结构及工作原理  18-19
    2.2.2 DMFC阳极气液两相流实验研究  19-25
    2.2.3 DMFC数值模拟  25-28
  2.3 气泡从孔中形成过程研究进展  28-32
  2.4 计算流体力学简介  32-35
    2.4.1 计算流体力学概述  32-33
    2.4.2 CFD的优缺点  33-34
    2.4.3 FLUENT的求解过程  34-35
  2.5 本论文的研究重点  35-36
第三章直接甲醇燃料电池阳极通道内气泡行为的实验研究  36-52
  3.1 前言  36
  3.2 实验装置及实验方法  36-38
  3.3 数据处理  38-41
  3.4 结果与讨论  41-51
    3.4.1 气泡形成及脱离过程特点  41
    3.4.2 气泡平均当量直径  41-47
      3.4.2.1 液速对气泡平均当量直径的影响  42-43
      3.4.2.2 气速对气泡平均当量直径的影响  43-45
      3.4.2.3 孔数对气泡平均当量直径的影响  45-47
    3.4.3 通道内气含率  47-51
      3.4.3.1 液速对通道内气含率的影响  47-48
      3.4.3.2 气速对通道内气含率的影响  48-49
      3.4.3.3 孔数对通道内气含率的影响  49-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章 CO_2气泡脱离扩散层孔口过程的数值模拟  52-66
  4.1 引言  52-54
  4.2 数值模拟  54-56
    4.2.1 计算区域及网格划分  54
    4.2.2 模型假设及数值方法  54-56
    4.2.3 边界条件  56
  4.3 结果与讨论  56-65
    4.3.1 气泡形成的一般特点  57-58
    4.3.2 液体流速对气泡形成的影响  58-60
    4.3.3 扩散层孔道直径对气泡形成的影响  60-62
    4.3.4 气体速度对气泡形成的影响  62-64
    4.3.5 气泡阻挡作用对气泡形成的影响  64-65
  4.4 本章小结  65-66
第五章从多孔中形成气泡的聚并过程数值模拟  66-73
  5.1 引言  66-67
  5.2 计算区域及网格划分  67-68
  5.3 边界条件  68
  5.4 结果与讨论  68-72
    5.4.1 气泡形成过程的特征  68-69
    5.4.2 孔间距对气泡聚并的影响  69-70
    5.4.3 孔数对气泡聚并的影响  70-72
    5.4.4 通道结构对气泡聚并的影响  72
  5.5 本章小结  72-73
第六章结论与展望  73-76
  6.1 结论  73-74
  6.2 展望  74-76
参考文献  76-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表论文情况  84

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