本文關(guān)鍵詞：微型直接甲醇燃料電池陽極流場結(jié)構(gòu)影響研究

  更多相關(guān)文章： 微型直接甲醇燃料電池 流場板 三維數(shù)值模型 響應面參數(shù)分析法 兩相流

【摘要】：近年來,微型直接甲醇燃料電池(Micro Direct Methanol Fuel Cell, μDMFC)由于高比能、高效、易構(gòu)建、快速加燃料、燃料便于存儲、環(huán)境友好等優(yōu)勢,被認為是一種極有應用前景的便攜式產(chǎn)品。然而,諸多技術(shù)難題阻礙了人們對它的廣泛應用。其中,陽極流場板主要用于供應、分配甲醇燃料與排出產(chǎn)物,并收集電流。因此,其設計的合理與否將直接影響到電池性能。本文圍繞傳統(tǒng)流場與新型含超疏水氣體通道流場的結(jié)構(gòu)展開了系統(tǒng)研究。之前的研究傾向于從有限的、分離的陽極流場結(jié)構(gòu)樣本中揭示陽極流場對電池性能影響的基本規(guī)律,并且多數(shù)研究忽視了陽極流場設計中不同幾何參數(shù)對電池性能的交叉影響。為此,本文采用響應面參數(shù)分析法(Response Surface Methodology, RSM)建立了在一個確定的參數(shù)空間內(nèi)描述μDMFC陽極流場結(jié)構(gòu)參數(shù)對電池輸出性能連續(xù)的、交叉的全局影響的關(guān)系模型。首先,基于連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、Butler-Volmer方程等建立了μDMFC的三維數(shù)值模型。對模型求解,可輸出電池的峰值功率密度。然后,建立了RSM關(guān)系方程,并設計實驗進行了驗證。對RSM模型的分析表明,40%-50%的流場開孔率能獲得最高的電池輸出性能,而更大開孔率時增大的甲醇滲透速率或更小開孔率時增大的傳質(zhì)阻力都會降低μDMFC的性能。對于相同的甲醇流量30m1/h,當溝道深度從0.6mm降低至0.3mm時,甲醇水溶液的流速會增大,導致其質(zhì)量傳遞系數(shù)增大,但進一步減小的溝道深度會導致有效質(zhì)量傳遞系數(shù)減小。對于相同的開孔率及適中的溝道深度0.4mm,溝道長度的增加使甲醇傳質(zhì)更充分、分配更均勻,因而提高電池的性能。最后,通過RSM方程給出了特定參數(shù)空間內(nèi)的最佳流場結(jié)構(gòu)參數(shù)。在傳統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)的基礎上,設計了三種(蛇形流場、螺旋流場、平行流場)含有超疏水排氣微通道、氣液通道嵌套排布的新型流場。采用有限元分析中的Level Set方法建立了三種新型流場和三種傳統(tǒng)流場的數(shù)值模型。組裝了含新型流場的單電池進行CO2氣泡原位測試和壓降的測量。模擬與實驗結(jié)果都顯示,部分氣泡通過擴散層后會通過氣體通道排出,而主液道中的氣泡數(shù)量明顯減少,且沒有長氣塞出現(xiàn)。同時,有氣體通道的蛇形、螺旋和平行流場的平均壓降相比傳統(tǒng)流場分別降低了43.3%、50.5%和62.5%;壓降振幅分別降低了傳統(tǒng)蛇形流場的20%、傳統(tǒng)螺旋流場的57%、傳統(tǒng)平行流場的25%。反映出新型流場能夠有效促進CO2氣體的排出,提高反應物傳輸?shù)男省?br/> 【關(guān)鍵詞】：微型直接甲醇燃料電池 流場板 三維數(shù)值模型 響應面參數(shù)分析法 兩相流
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-19
• 1.1 微型直接甲醇燃料電池概述9-13
• 1.1.1 微型直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理9-11
• 1.1.2 微型直接甲醇燃料電池研究進展11-13
• 1.2 μDMFC流場板研究進展13-15
• 1.2.1 μDMFC流場板流場結(jié)構(gòu)設計研究13-14
• 1.2.2 μDMFC流場板流場表面改性研究14-15
• 1.3 μDMFC陽極流場氣液兩相傳輸研究15
• 1.4 響應面參數(shù)分析法概述15-17
• 1.5 本文的工作思路及研究內(nèi)容17-19
• 2 微型直接甲醇燃料電池的數(shù)值模擬19-32
• 2.1 模型計算區(qū)域與基本假設19-20
• 2.2 控制方程20-25
• 2.2.1 物質(zhì)守恒20-22
• 2.2.2 動量守恒22-23
• 2.2.3 質(zhì)量守恒23-24
• 2.2.4 電化學反應24-25
• 2.3 邊界條件25
• 2.4 模型求解25-27
• 2.5 模型驗證27-31
• 2.6 本章小結(jié)31-32
• 3 μDMFC陽極微流場結(jié)構(gòu)參數(shù)對電池性能的全局影響32-42
• 3.1 陽極微流場結(jié)構(gòu)參數(shù)的RSM模型32-34
• 3.2 RSM模型的實驗驗證34-35
• 3.3 RSM模型結(jié)果與討論35-41
• 3.3.1 陽極微流場開孔率對電池性能的影響36-37
• 3.3.2 陽極微溝道深度對電池性能的影響37-39
• 3.3.3 陽極微流場溝道深與肋寬對電池性能的綜合影響39-40
• 3.3.4 陽極微流場總長度對電池性能的影響40-41
• 3.3.5 最優(yōu)的陽極微流場結(jié)構(gòu)參數(shù)41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 4 超疏水排氣微通道對μDMFC陽極氣液兩相流的影響42-59
• 4.1 新型流場板設計43-45
• 4.2 超疏水排氣微通道對μDMFC陽極氣液兩相流影響的數(shù)值模擬45-53
• 4.2.1 模型計算區(qū)域45-46
• 4.2.2 建模理論46
• 4.2.3 模型求解46-47
• 4.2.4 結(jié)果與討論47-53
• 4.3 模型驗證53-58
• 4.3.1 電池制造與測試系統(tǒng)的搭建53-55
• 4.3.2 CO_2氣泡行為的原位測試55-56
• 4.3.3 液體通道壓降分析56-58
• 4.4 本章小結(jié)58-59
• 結(jié)論59-60
• 參考文獻60-65
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況65-66
• 致謝66-67

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 孟彥偉;;直接甲醇燃料電池在通信基站的應用前景展望[J];電信工程技術(shù)與標準化;2015年11期

2 Peng Lim;;DMFC燃料電池便攜式應用前景[J];電子產(chǎn)品世界;2009年01期

3 趙寅廷;劉沖;梁軍生;徐征;;微型直接甲醇燃料電池CO_2氣泡排除問題研究[J];傳感技術(shù)學報;2008年02期

4 柯新;姚克儉;王良華;;壁面親水性對DMFC陽極通道內(nèi)氣液兩相流影響的數(shù)值模擬[J];化工進展;2008年02期

5 蘇萬春;;任意循環(huán)過程熱機效率的極值研究[J];電子科技大學學報;2006年01期

6 張海峰,衣寶廉,侯明,張華民;流場尺寸對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響[J];電源技術(shù);2004年08期

7 李會雄,楊冬,陳聽寬,羅毓珊,湯敏;Level Set方法及其在兩相流數(shù)值模擬研究中的應用[J];工程熱物理學報;2001年02期

8 趙小青;熱機與生態(tài)環(huán)境[J];物理與工程;2001年01期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 朱應利;微型直接甲醇燃料電池封裝關(guān)鍵技術(shù)研究[D];大連理工大學;2011年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 劉寬耀;鈦基μDMFC流場板極端潤濕微結(jié)構(gòu)及其氣液分相效能研究[D];大連理工大學;2015年

2 何洪;被動式直接甲醇燃料電池數(shù)學模型研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2011年

3 段煉;直接甲醇燃料電池陽極氣液兩相流動的研究[D];山東大學;2008年

4 陳莉;微型燃料電池流場參數(shù)影響研究[D];大連理工大學;2006年

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本文編號：974654