本文關(guān)鍵詞：微型直接甲醇燃料電池陽(yáng)極流場(chǎng)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(chǎng)板 三維數(shù)值模型 響應(yīng)面參數(shù)分析法 兩相流

【摘要】：近年來(lái),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(chǔ)、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是一種極有應(yīng)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(duì)它的廣泛應(yīng)用。其中,陽(yáng)極流場(chǎng)板主要用于供應(yīng)、分配甲醇燃料與排出產(chǎn)物,并收集電流。因此,其設(shè)計(jì)的合理與否將直接影響到電池性能。本文圍繞傳統(tǒng)流場(chǎng)與新型含超疏水氣體通道流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)展開(kāi)了系統(tǒng)研究。之前的研究?jī)A向于從有限的、分離的陽(yáng)極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)樣本中揭示陽(yáng)極流場(chǎng)對(duì)電池性能影響的基本規(guī)律,并且多數(shù)研究忽視了陽(yáng)極流場(chǎng)設(shè)計(jì)中不同幾何參數(shù)對(duì)電池性能的交叉影響。為此,本文采用響應(yīng)面參數(shù)分析法(Response Surface Methodology, RSM)建立了在一個(gè)確定的參數(shù)空間內(nèi)描述μDMFC陽(yáng)極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)RSM模型的分析表明,40%-50%的流場(chǎng)開(kāi)孔率能獲得最高的電池輸出性能,而更大開(kāi)孔率時(shí)增大的甲醇滲透速率或更小開(kāi)孔率時(shí)增大的傳質(zhì)阻力都會(huì)降低μDMFC的性能。對(duì)于相同的甲醇流量30m1/h,當(dāng)溝道深度從0.6mm降低至0.3mm時(shí),甲醇水溶液的流速會(huì)增大,導(dǎo)致其質(zhì)量傳遞系數(shù)增大,但進(jìn)一步減小的溝道深度會(huì)導(dǎo)致有效質(zhì)量傳遞系數(shù)減小。對(duì)于相同的開(kāi)孔率及適中的溝道深度0.4mm,溝道長(zhǎng)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(guò)RSM方程給出了特定參數(shù)空間內(nèi)的最佳流場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在傳統(tǒng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了三種(蛇形流場(chǎng)、螺旋流場(chǎng)、平行流場(chǎng))含有超疏水排氣微通道、氣液通道嵌套排布的新型流場(chǎng)。采用有限元分析中的Level Set方法建立了三種新型流場(chǎng)和三種傳統(tǒng)流場(chǎng)的數(shù)值模型。組裝了含新型流場(chǎng)的單電池進(jìn)行CO2氣泡原位測(cè)試和壓降的測(cè)量。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示,部分氣泡通過(guò)擴(kuò)散層后會(huì)通過(guò)氣體通道排出,而主液道中的氣泡數(shù)量明顯減少,且沒(méi)有長(zhǎng)氣塞出現(xiàn)。同時(shí),有氣體通道的蛇形、螺旋和平行流場(chǎng)的平均壓降相比傳統(tǒng)流場(chǎng)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(chǎng)的20%、傳統(tǒng)螺旋流場(chǎng)的57%、傳統(tǒng)平行流場(chǎng)的25%。反映出新型流場(chǎng)能夠有效促進(jìn)CO2氣體的排出,提高反應(yīng)物傳輸?shù)男省?br/> 【關(guān)鍵詞】：微型直接甲醇燃料電池 流場(chǎng)板 三維數(shù)值模型 響應(yīng)面參數(shù)分析法 兩相流
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：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(jìn)展11-13
• 1.2 μDMFC流場(chǎng)板研究進(jìn)展13-15
• 1.2.1 μDMFC流場(chǎng)板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究13-14
• 1.2.2 μDMFC流場(chǎng)板流場(chǎng)表面改性研究14-15
• 1.3 μDMFC陽(yáng)極流場(chǎng)氣液兩相傳輸研究15
• 1.4 響應(yīng)面參數(shù)分析法概述15-17
• 1.5 本文的工作思路及研究?jī)?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(jì)算區(qū)域與基本假設(shè)19-20
• 2.2 控制方程20-25
• 2.2.1 物質(zhì)守恒20-22
• 2.2.2 動(dòng)量守恒22-23
• 2.2.3 質(zhì)量守恒23-24
• 2.2.4 電化學(xué)反應(yīng)24-25
• 2.3 邊界條件25
• 2.4 模型求解25-27
• 2.5 模型驗(yàn)證27-31
• 2.6 本章小結(jié)31-32
• 3 μDMFC陽(yáng)極微流場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電池性能的全局影響32-42
• 3.1 陽(yáng)極微流場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的RSM模型32-34
• 3.2 RSM模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證34-35
• 3.3 RSM模型結(jié)果與討論35-41
• 3.3.1 陽(yáng)極微流場(chǎng)開(kāi)孔率對(duì)電池性能的影響36-37
• 3.3.2 陽(yáng)極微溝道深度對(duì)電池性能的影響37-39
• 3.3.3 陽(yáng)極微流場(chǎng)溝道深與肋寬對(duì)電池性能的綜合影響39-40
• 3.3.4 陽(yáng)極微流場(chǎng)總長(zhǎng)度對(duì)電池性能的影響40-41
• 3.3.5 最優(yōu)的陽(yáng)極微流場(chǎng)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(duì)μDMFC陽(yáng)極氣液兩相流的影響42-59
• 4.1 新型流場(chǎng)板設(shè)計(jì)43-45
• 4.2 超疏水排氣微通道對(duì)μDMFC陽(yáng)極氣液兩相流影響的數(shù)值模擬45-53
• 4.2.1 模型計(jì)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(yàn)證53-58
• 4.3.1 電池制造與測(cè)試系統(tǒng)的搭建53-55
• 4.3.2 CO_2氣泡行為的原位測(cè)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(xiàn)60-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況65-66
• 致謝66-67

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：974654