燃料电池因具有能量转换效率高、环境友好、低噪音等优点,应用前景广阔,已成为全世界的研究热点。其中直接甲醇燃料电池优点突出,适用于作为各种用途的移动电源、便携式电源、微型电源等。虽然直接甲醇燃料电池的研究已取得不少成就,但仍存在催化剂活性不高、甲醇窜流、极板设计改进等几个方面问题的困扰。如何解决这些问题,将成为今后直接甲醇燃料电池发展的关键。 直接甲醇燃料电池中,甲醇在电池阳极的氧化反应会生成二氧化碳气泡,气泡在流道中与甲醇水溶液形成复杂的两相流动,会对电池性能造成很大影响。如何保证二氧化碳气体快速高效的排出电池内部,使甲醇溶液能够连续均匀的供给催化剂层,这对于提高整个直接甲醇燃料电池整体性能显得至关重要。这就需要对直接甲醇燃料电池阳极内部两相流过程开展深入的研究,为此本文从工程热物理角度开展针对直接甲醇燃料电池两相流的实验与数值模拟研究。本文的工作及主要成果如下： 1.自行设计实验用直接甲醇燃料电池,改进实验系统,摸索到可靠实验操作方法。除膜电极为外购,其余部件全为自行设计,可用于可视化实验。电池有效面积为50cm2。选用石墨作为极板材料；选择硅胶涂布玻璃纤维布作为电池内部密封片。为了研究不同流场对直接甲醇燃料电池阳极内部两相流动的影响,设计加工了单通道蛇形流场和平行流场两种阳极流场板。改进实验系统中的拍摄功能,为配合高速摄影仪工作,设计并自制了发光二极管LED照明系统,最高可用于500帧/秒的拍摄速度。摸索了实验前膜电极活化方法,实验步骤,实验后处理方法。在本文摸索的操作方法下,电池能长时间处于稳定高性能工作状态。 2.开展水平放置的阳极配备蛇形流场的直接甲醇燃料电池两相流实验研究工作。电性能表现优秀,已经可以与国际杂志论文报导的较好的直接甲醇燃料电池性能接近。实验得到直接甲醇燃料电池阳极两相流变化规律,二氧化碳气泡量随电流密度增加而增加,随流量增加而减少,沿流程会依次出现泡状流、塞-泡流、和塞状流的流型。论文提出测量流道中截面含气率的方法。并首次得到蛇形流场全流场各个流道中的气泡体积以及截面含气率的值,得到截面含气率与电流密度、流量、时间、流程、浓度的相关变化规律。这是首次有直接甲醇燃料电池在该流场下的截面含气率的定量研究工作。得到了蛇形水平阳极流场的气泡速度随电流密度变化的定量的值,并分析其规律。这也是首次有直接甲醇燃料电池在该流场下的气泡速度值的定量研究工作。绘制出蛇形阳极流场水平放置时的流型图。这也是首次有直接甲醇燃料电池在该流场下的流型图发布。提出应用直接甲醇燃料电池常用参数绘制流型图的设想。 3.开展了阳极配备蛇形流场并竖直放置的直接甲醇燃料电池两相流实验研究工作。当阳极甲醇溶液浓度为0.5mol/l和1.0mol/l时,电性能优于水平放置时,当浓度为1.5mol/l时,电性能稍弱于水平放置时。该流场和实验条件下,直接甲醇燃料电池阳极二氧化碳气泡量也是随电流密度增加丽增加,随流量增加而减少,沿流程会依次出现泡状流、塞一泡流、和塞状流的流型。直接甲醇燃料电池阳极流场双号流道以及流道的倒U型部位会出现长时间的气泡堵塞现象,沿流程这种堵塞现象会变严重。出现延续有5个流道长的超长气塞。由于堵塞气泡一定条件下突然排除,引起直接甲醇燃料电池阳极两相流呈现周期性变化的特征。 4.开展了阳极配备平行流场并水平放置的直接甲醇燃料电池两相流实验研究工作。其电性能相比蛇形阳极板两种放置方式的电池稍差。该电池的阳极两相流流场非常复杂,即使同一流场同一工况同一流道中,其流型也会经历泡状流、弹状流、塞状流的周期变化过程,并且在同一流型下还会经历正向流动和反向流动的反复交替,体现出强烈的震荡性和周期性。论文测量了此种流场的气泡速度、截面含气率随时间变化和随位置变化的定量的值,分析其震荡性和周期性。这是首次有直接甲醇燃料电池在该流场下的气泡速度值和截面含气率的定量研究工作。由于此种两相流场体现出的震荡性和周期性,本文提出根据周期性,通过区分流型,定量计算流场截面含气率的方法。 5.开展了直接甲醇燃料电池建模及数值模拟工作。根据直接甲醇燃料电池的物理模型建立二维等温两相多组分数值模拟模型。模型考虑了两相流流动,电池内多种组分的气液相传质、电性能与组分浓度关系,可计算流道和多孔介质层中的速度分布、组分浓度分布、电性能等参数,对于直接甲醇燃料电池的内部过程进行了有益探索。对数值模拟结果进行了电性能验证。并提出用传热传质参数对直接甲醇燃料电池模型进行验证,本文计算的直接甲醇燃料电池阳极的截面含气率与本文实验所得的截面含气率的变化规律一致。这在文献中还没有见到。论文应用该模型计算结果进行了直接甲醇燃料电池内部各参数变化规律的分析。