微流體燃料電池作為一種新型微型電源受到廣泛關(guān)注,而陽極側(cè)燃料傳質(zhì)限制是制約其性能提高的關(guān)鍵因素。本文對利用微射流強(qiáng)化燃料傳質(zhì)的空氣自呼吸微流體燃料電池建立三維數(shù)學(xué)模型,研究了微射流幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃料傳輸及電池性能的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明:射流孔位于中下游位置時(shí)強(qiáng)化燃料傳輸效果較好;隨射流孔數(shù)量增加,微射流作用區(qū)域逐漸增大,但射流平均速度逐漸降低,使得燃料傳輸和電池性能先強(qiáng)化后下降;射流孔直徑增大導(dǎo)致射流平均速度減小,電池性能降低。 

【文章來源】：工程熱物理學(xué)報(bào). 2020,41(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

圖２網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證??Ｆｉｇ．?２?Ｇｒｉｄ?ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ??１．４模型驗(yàn)證??為驗(yàn)證上述模型的有效性，本文采用Ｚｈｏｕ等＿??

２２１６??工程熱物理學(xué)報(bào)??０?５０?１００?１５０?２００?２５０?３００??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ／ｎｉＡ－ｃｍ－３??圖２網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證??Ｆｉｇ．?２?Ｇｒｉｄ?ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ?ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ??１．４模型驗(yàn)證??為驗(yàn)證上述模型的有效性，本文采用Ｚｈｏｕ等＿??的電池結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)工況開展數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)??果與其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖３所示．可以??看出，模型預(yù)測的極化曲線和功率密度曲線與實(shí)驗(yàn)??數(shù)據(jù)吻合良好。此外，還計(jì)算得到栗功為１．１２?ｎＷ，??而此時(shí)最高輸出功率為６．２３?ｍＷ，對比可知泵功可??忽略不計(jì)。??層上邊界處燃料濃度為〇，陰極氣側(cè)給定氧氣質(zhì)量分??數(shù)，其余均為不可滲透邊界條件。設(shè)定陽極側(cè)電位為??０Ｖ，陰極側(cè)為電池輸出電壓，電池內(nèi)部各個(gè)界面滿??足電勢連續(xù)條件，其余壁面均為絕緣邊界條件。??１．３網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證??為避免網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響，采用網(wǎng)格??數(shù)分別為６０１４８４、７５１５６７、９０２９１１進(jìn)行模擬計(jì)算？圖??２所示為三種網(wǎng)格下模擬得到的極化曲線，可以看??出網(wǎng)格數(shù)置對模擬結(jié)果無影響。因此，本文選擇網(wǎng)??格數(shù)為６０１４８４的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。??１．０??０?５０?１００?１５０?２００?２５０?３００??Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ／ｍＡ－ｃｍ－３??圖４射流孔位置對電池性能的影響??Ｆｉｇ．?４?Ｅｆｆｅｃｔｓ?ｏｆ?ｒｒｉｉｃｒｏｊｅｔ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ｏｎ?ｃｅｌｌ?ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ??圖５所示為電池電壓為０．４?Ｖ時(shí)主流道內(nèi)的燃??料濃度分布、射流中心截面處速度矢量分布和陽極??表面燃料平均濃度．從圖５（

２２１８??工程熱物理學(xué)報(bào)??４１卷??２．３射流孔直徑的影響??射流孔直徑對燃料傳輸及電池性能的影響如圖??７所示。射流孔數(shù)量ｎ＝ｌ，位于ｉ＝１０?ｍｍ處。圖７（ａ）??所示為０．４?Ｖ時(shí)陽極表面燃料濃度分布．可以看出，??燃料微射流作用區(qū)域內(nèi)陽極表面濃度較大，表明微??射流強(qiáng)化了燃料傳質(zhì)。但隨著射流孔直徑逐漸變大，??其作用區(qū)域逐漸減小，對應(yīng)的陽極表面燃料濃度也??逐漸減校這一結(jié)果與圖７（ｂ）所示電池性能的變化??趨勢一致。這主要是由于隨著射流孔直徑增大，其??平均射流速度降低，使得射流的對流傳輸作用減弱，??較難到達(dá)陽極表面。因此，應(yīng)采用直徑相對較小的??射流孔以提高射流的對流傳輸作用，從而更好地強(qiáng)??化燃料定向傳質(zhì)。但直徑過小可導(dǎo)致較大的流動(dòng)阻??力，而較大的射流速度也將強(qiáng)化電解液卷吸并稀釋??燃料，不利于電池性能提升。??圖７射流孔直徑對陽極表面燃料濃度分布（ａ）以及電池性能??（ｂ）的影響＾電池電壓為０．４?Ｖ??Ｆｉｇ．?７?Ｅｆｆｅｃｔ?ｏｆ?ｐｏｒｅ?ｄｉａｍｅｔｅｒ?ｏｎ?ｆｕｅｌ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ??ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ａｎｏｄｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?（ａ）?ａｎｄ?ｃｅｌｌ??ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ?（ｂ）?ａｔ?０．４?Ｖ??３結(jié)論??本文以浸沒微射流空氣自呼吸微流體燃料電池??為研究對象，建立了電池內(nèi)流動(dòng)傳輸及反應(yīng)的三維??數(shù)學(xué)模型，研究了微射流幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對強(qiáng)化燃料??傳質(zhì)以及電池性能的影響，王要結(jié)論如下：??１）射流開孔處于中下游位置時(shí)，能夠較好地?cái)_??動(dòng)局部較厚的燃料濃度邊界層，補(bǔ)充新鮮燃料，強(qiáng)??化燃料傳輸，使得電池性能得以提升。??２）當(dāng)射流孔


本文編號：3517677