（热能工程专业论文）微重力下直接甲醇燃料电池阳极流场内两相流的实验研究.pdf

俩萤 摘要 微重力科学应载人航天发展丽迅速发展起来，是当今世器的前沿学科之一。微 重力条件下的气液两相流动是空间技术领域必须解决的关键技术问题之一，具有重 要的学术意义和重大的应用价值。 燃料电池楚种邋过电化学反应持续地烙燃料和氧化剂的化学能直接转化成电 能的发电装罱，因其高比功率、高比能量，响应速度快、可大功率、长时间供电的 特点，在航天领域中的应用又开始得到重视。 在空间微重力环境中，质子交换膜燃料电池内部倦密电化学反应魄两耀流动将 呈现出和常规两相流动迥然不同的特性，给燃料电池气液管理提出w 新的挑战，成 为质子交换膜燃料电池技术发展中妪待解决的关键技术问题之一。 本文设计了透明的壹接甲醇燃料电浊，建立了燃料电池测试系统，弗分别在常 重力和微重力环境下利用可视化技术对直接甲醇燃料电池阳极两相流动以及流道内 c 0 2 气泡对电池性能的影响进行了研究。实验得到了微藿力条件下鬣接甲醇燃料电 池内部伴有电化学反应的气液两相流动图像和摆应电性能等实验数据，揭示出了俸 有化学反应的气液两相流特点、气泡生长与脱离规律以及重力因素对燃料电池性能 的影响规律，为质子交换膜燃料电池在航天领域的应用提供了可靠的科学数据和设 计与运控指导。 本文的主要工作及取得的主要成果如下： 1 建立了短时微重力落塔实验专用直接甲醇燃料电池性能测试系统。该测试系 统与作者自行设计的透瞬燃料电淮以及落塔系统共同构成了微重力环境下直 接甲醇燃料电池阳极流道可视化的研究平台。该实验系统在测量和采集燃料 电池电性能输出的同时，可实时观察燃料电池内部的两相流动。 2 分别在常重力与徽重力环境下，可视忧研究了毫流密度对直接译醇燃料露 憩 内c 0 2 气泡和两相流流动的影响。研究表明，不管是在常重力条件下还是微 重力条件下，随着电流密度增大，流道内气体量增多，气泡尺寸变大。但在 微霍力条件下，气泡的数量魄常重力下明湿增多，而且尺寸交大，气泡形状 也由椭球形变为球形。同时，在微蓬力环境下电池的性能较常重力环境下有 所下降，而且随着浓差极化程度的加深，性能下降的幅度越大。 3 分别在常重力与微重力环境下，对电池温度对直接甲醇燃料电池内c o z 气泡 l e 京f 她凡学t 掌坝i 掌 t ! 渔义 一! 鼍鼍詈! 苎曼烹蔓! 奠曼嘲篡曼曼罡! 曼! 型曼燮曼! 曼差鳓曼! 曼鼍舅曼! 曼曼苎兰曼曼! 曼舞! 烹曼鼎攀竺曼舞篡鼍! 曼鼍鼍鼍! s 一 和气液爨相流流动的彩稍进行了呵观亿研究。实验结果表明，不管迳在常重 力下还是微逅力条件下，随着电池温度的升高，流道内气体量增多，气泡尺 、j + 变大。但在微重力条掌# 下，气海的数量比常重力下明显增多，而曩尺寸明 显变大，气泡形状也由椭球形变为球形，在离温时流道内有大的气弹生成。 4 。对微熏力环境4 i 同电池温度下电池的电性能与常重力环境下的电性能进行了 比较分橱。在常重力环境下，升高电泡的溢度能增强催仡剂的活性，强化反 应物在电池内部的传递，提高矮子交换膜的传导率，困丽电浊性能提高。在 微熏力环境下电池的性能较常重力环境下有所下降，温度越赢性能下降的慎 度越大。因此，在徽重力环境下升高电沲滚度并不一定能提高电池的性能。 关键词微重力；直接甲醇燃料电池：气液两相流：可视化；落塔 北京t 一盐夫。￥：丁学硕 学位论艾 生热输运和质量输运，在微重力环境f ，由重力引起的自然刘流被削弱，由表而温 度梯度弱浓度梯度弓| 起的表面能差形成豹m a r a n g o n i 对流是主要的；另外被重力场 中自然对流掩盖的扩散过程也成为输运热量和质薰的主要过程j 。 在微重力下，重力减小使得因温度刁i 同所引起的流体自然对流现象减弱，容器中 的流体也只有在表面张力的作用一f 才能运动。气体出现失重，这将严重影响传热过 程，铡如一些在地蓖上依靠气体的自然对流散热的仪器和元件突然失去自然对流作 用，热量排散受阻，温度很快升高口”。 一些在熏力场下被忽略的效应，例如表面张力和汽相动量程微重力条件下可以 交得相当重要。在常重力条 争下，菲常小驰温差或翥过热度或者避冷度通常认为是 不重要的，但当过程被限制在微重力条件下时，必须考虑它们的影响，并且应给予 足够的重视【2 。 1 3 2 2 微重力条件下的两楣流 由于气、液两相介质闷一般都存在着很大的密度差，常重力条件下重力对其流 动特征及流型的产生与转换往往起着主导作用，同时也成为流型复杂化的主要根源。 丽在微重力条件下，重力的影响大大减弱，从而消除了在常重力下出重力作用导致 的流动的嚣对称性及分整流动现象，使流型大大箍化掰l 。 在常重力和微重力条件下，水平管内受迫两相流都有泡状流、弹状流、弹环状 过渡流和环状流4 种典型流烈。水平管内常重力和微蕻力流型的最落差异在于：微重 力沆型相砖予流遘中心爨每一定戆对称性，瑟常重力条件下气褪在浮力作耀下偏于 水平流道上部。此外，微熏力条件下弹状流中气圜前端呈半球( 或椭球) 状，界面相 当光滑。而常重力条件下界面十分粗糙，存在较大幅度的不规则界面波【2 5 1 。同时， 在微重力环境中，水平管内不可能出现分层流。 在微重力条件下，不阉力在两相流流型转交过程中起着不阉的作用，忽貉了微 熏力下很小的重力和浮升力后，主要起作用的力是惯性力、粘性力和表面张力，这 黛力的综合作用决定了两相流内部气液界面扰动的强弱及两相的分布，从而决定了 流壅的转变l 州。 在微重力条件下，管内凝结过程的机理、两相流动的流型均与重力场中的常规 凝结过程不同。在膜状冷凝过程中，以凝结液导热为主要传热方式，因此控制热阻 集中在液膜处。如果不能及时有效地摊走冷凝液，将会大大削弱冷凝转热过程，当 冷凝液满溢对甚至会使冷凝过程停止。在地面上，熏力的作用不仅能够藕 除凝液， 而且可使气液两相得以分离。然而，在微重力环境中，必须利用其它方法排除凝结 液。 微重力与常重力条件下的承平管内冷凝过程的另一个显著的隧别是流型豹变化 不同【2 6 j 。通常，在地面上，当蒸汽入口流速较高时，大部分区域为环状流；当流速 第| 军绪论 较低时，大部分区域为分层流，凝液积累在管底部。丽在微重力环境中，不可能出 现分层流。当蒸汽进入冷凝段后，靠近壁面瓣蒸汽最先冷凝，在表露强力的j 乍用下， 被吸附在箭壁形成环状液膜，呈现出贴壁的对称环状流流型。 微重力和常重力条件下流动沸腾换热之间的根本区别在于熏力场浮力作用的不 同。沸腾换热的枫理和强度与气泡生长过程和工质沿传热瑟的运动形式密切胡关。 在常重力下，池沸聘换热的气泡脱蔼鼙面主要依靠重力，在管肉受遥流动中，还有 动量力，正是因为这磐力的作用才使得气泡脱离加热壁面，从而维持稳定的核态沸 腾。在微熏力条件下，液体沸腾后产生的气泡脱离对重力的依赖性降低了，易形成 簇态沸腾，换热强度降低，传热恶化，有时甚至浇毁加热萄2 引。 在微遵力条件下的流动沸腾换热与加热面方向角无关，无沦流动沸腾采用什么 布置形式，只要工况条件一样，其间的换热规律就一致( 2 9 1 。 l 。3 3 微重力环境下的热物理溺题磺究现状 微熏力条件下的熟物理过程是值得研究的问题。在空间飞行中，热量传递是飞 行器内部环境控制的主要影响因素之一。微重力环境中的传热研究主要为载人航天 中热管理设计提供设计依据。 嚣前，国内外对微熏力条件下热物理闫题的研究大多集中在两相流和燃烧两个 方面，而盥理论分析居多，实验研究也多是地面模拟微重力实验，真正的微篷力实 验很少，国内也大都是中科院力学所微重力实验室做的。 1 3 3 1 士| 耋霹攘撼徽重力两横渡实验 地面模拟微重力实验是指可以利用中性悬浮液液两相系统或罨细管气液两相系 统，在地面常重力环境中进行一些模拟微重力两相流实验。在地面常重力环境中模 拟微重力下气液两相流动，一般可以采用两种方法：( 1 ) 减少薅相介质的密度差 甑风) ；( 2 ) 减小实验管道静直径d 。饪建勋等人罄。】研究了建瑟攘拟微重力条件下的 流动与换热，认为采用适当尺寸的缩小模型，确实w 以在地面消除重力对流动与换 热的影响。 但由于两相流动魏极端复杂性，搁关模拟实验的详细耱似凇剩弱前还不缀清楚， 导致模拟实验极不完备，对实验结果的解释也还存在诸多争议。 1 3 3 2 微薰力两相流实骏 实验方法的缺陷，使得目前微重力气液两相潍研究多集中予滚型特征及其转换 条件，蔼徽重力气液两榍流压降的实验数据却很少f 3 1 ，3 2 1 。 早期微熏力条件下的两相流实验不多，且多集中于沸腾换热等问题。h e p p e r 等 ( 1 9 7 5 ) 93 j 系统地研究了低重力条件下双组分气液两相绝热流流型，成为早期研究的 突出代表。实验是在n a s a c 1 3 5 失薰飞枫上遽行的，工作介质为永和空气，漉型 用高速摄影记录。 ， e 从t _ 业大掌r 学敞” _ 学煞沦义 8 0 年代以后的甄朗滤实验研究工作可以按j ：作介质的不餍分为两类：双组分气 液两棚绝热流动和单缀分汽液两相绝热流动。 d u k l e r 等f 1 9 8 妤3 4 做了微重力条件下双组分气液两捅绝热流动的实验研究。实验 是在n a s al e w i s 研究中心2 2 s 落塔和1 2 s 2 2 s 的l e a rj e t 上进行的，工作介质为水 和空气，流型埔高速摄影记录，这是首次成功而全面的实验研究，观察到了微萋力 条传下厨有可能的滚型，并收集了怒够多的数据，给趟了善张微重力条 譬下气渡两 相流流型图。 c h u n g ( 1 9 9 ) 等【3 5 l 在o 6s 落塔中遴行了池涕腾嗣滚动满腾试验，结莱显示： 在一个短时闼内，当热流通显较低劳且过冷水平仍旧较高时，传热在微重力下就被 强化了。 h e w i 1 9 9 6 ) 【3 6 】测出了微重力下的三种主要流型：泡状流( b u b b l yn o w 或b u b l e n o w ) ，弹状流( s l u gf l o w ) 和环状流( a r h l u l 斛f i o w ) ，认为在常重力下两相流流动特征和 漉型受重力影响缀大，覆在微重力下重力减弱，流型也大大箍化。 w b l k ( 1 9 9 9 ) 等曾利用落塔研究了缀时微重力条件下水力赢径约6 m m 的圆形 耜l 圆形截瓤流道内豹水气两耜流动现象，其中只观察到泡状滚和撵状流两矛孛流警。 赵建祸( 2 o ) 等f 3 8 】幂习用俄罗颠加加林国家航天员训练中心i l 2 7 6 失重飞机开屣 了微重力条件下方形截厦管邋内水气两相流实验，观察到的流型特征包括泡状流、 弹状流、弹一环状过渡滚和环状流等姻种微重力条件下可能出现的滤烈。 赵建福( 2 0 0 1 ) 等日9 】剩用俄罗斯“和平母”空间站进行了不间重力条件下气液两 捆流型实验，邋过眈较不同熏力条绺下气液两耱流型的特征，褥到了两个气液两 相流型非重力依赖性准则。 i g u c l l i ( 2 0 0 1 ) 等利用目本微重力中心( j 越m c ) 的l o s 落势遴行了不同接触角 下微重力对竖篮管内气泡和气弹上舞速率的影响实验，结果表明在徽重力祭4 孛下管 子的浸润性对气泡和气弹上升速率没有影响，但接触角大于9 0 0 时气泡变为球形比接 触角小于9 0 0 时更睨显。 1 城a m a s a ( 2 0 0 3 ) 等【4 1 j 利用日本微重力中心( j a m i c ) 的1 0 s 落井进行微重力条件 下水气两楣流动现象，并分帮亍了在微重力条锌下气泡成球形的机理和气泡合并机 理。 赵建襁( 2 0 0 5 ) 等瞰埽i 用中国科学院力学所国家微重力实验窒( n m l c ) 酉米落 塔，成功开展了短对微燕力过冷池沸腾传热实验研究，观溅了不同萋力环境中题核 态沸腾核双膜态过渡沸腾现象。 1 4 微重力实验设施 微重力环境是微重力科学研究的前提。徽重力环境的形成主要有两大类，一类 是利用空间技术，一类是利用地面设施。 第】：l 绪论 微重力实验研究的理想环境是利用空问技术【4 3 4 “，诸如卫星搭载、航天飞机、 微重力火箭、载人空间站等进行微重力实验研究，其优点是微重力量级较小，微重 力时问长( 以天为单位) ，可进行地面上无法实现的实验研究，如空间材料加工等。 但其费用也非常高( 以卫星搭载为例，每搭载l g 重量的物体其费用达数千元人民币) ； 其次，由于实际的航天器不是在绝对的真空下运行，也会受到大气阻力、太阳辐射 压力、天体的磁力和重力不均衡的影响，还有超重、振动、噪声、有害物质的影响。 正是由于实验机会、经费支出及对实验装置、实验介质甚至观测方法等的苛刻限制， 导致目前此类空间实验极少【4 5 】，绝大部分实验是利用地基短时失重设旌进行的【4 。 利用地面设施的方法，诸如利用落井或落塔、慢回转器、高空气球释放的自由 下落物体、作抛物线飞行的飞机等进行微重力研究，其优点是微重力环境成本很低、 使用方便、回收性好，且可以频繁实验( 一天可以一次或几次) ，重复性好。但它 的微重力环境量级较大，微重力时间短( 秒级) 。其次，由于地面设施都受到地心 引力的作用，不能完全消除重力的影响。 在众多地面设施中，其中尤以失重飞机最为常用，如美国n a s a 使用k c 1 3 5 ， d c 9 和l e a rj e t ；法国在1 9 9 6 年以前使用“快帆”( c a m v e l l e ) ，以后改用空中客车 a 3 0 0 ；俄罗斯使用i l 7 6 等。但失重飞机在沿抛物线轨迹飞行时所能达到的低重力 水平约为1 0 一1 0 。g ，残余重力较大；低重力持续时间约2 0 s ，实验时间太短。此 外，由于失重飞机在抛物线飞行前后处于超重状态，抛物线飞行过程中残余重力有 着剧烈的波动，这些对测量结果都有较大影响【4 6 】。 落塔( 或落井) 是在地球上使用的落体系统，落体为多种舱体，在下落过程中， 舱内产生微重力环境，用于进行各种实验，并能完好回收公用设备。现代落塔( 或落 井) 还可实行实验过程的遥测遥控。落塔( 或落井) 需要的是落差，可高出地面，也可 深入地下，或两者结合【2 。 落塔具有微重力水平高、重复性好、试验周期短、重复试验次数多、试验费用 低等优点，但产生的微重力时间短( 目前世界上最高的e u 劬】b e s a a r 落塔微重力时 间可达1 2 s ) ，失重阶段后有很大的超重过程等，这些因素对实验都是不利的 4 6 1 。 目前国际上的落塔系统有美国n a s al e w i s 研究中心1 5 5 m 落井( 可提供5 1 0 s 微重力环境) ，日本微重力中心( j a m i c ) 8 0 0 m 落井( 可提供l o s 微重力环境，己废 弃) ，德国的z a r m b e n c n l 4 6 m 落塔( 可提供5 1 0 s 微重力环境) 、e u r o t u b e s a a r 落塔和f a m e x 落塔，中国科学院力学所l o o m 落塔( 可提供3 5 s 微重力环境) 。 中国科学院力学研究所国家微重力实验室落塔的技术参数为 2 1 】：塔体总高 1 2 4 m ，塔体内径1 1 m ，微重力时间3 5 s ，微重力水平为双舱1 0 一g ，单舱1 0 0 9 ，实验 舱为双舱( 内外舱间真空度为1 p a ，内舱有效直径6 0 0 r m ，高度5 0 0 6 0 0 m m ) ，实验载 荷质量为双舱2 0 0 始，单舱1 5 0 b ，回收减速过载 2 0 9 ，每r 可实验次数为2 4 次。 靶柬 1 啦大学f 学梭 学位沦义 此外还建有先进的测鳖、鉴测与控制系统。 1 5 伴务化学反应的盏接甲醵燃料电池阳极气液耨相流动 气液两相流是两相流研究领域最基本的课题之，至今已有数十年的研究历史。 对气液两耀流动的研究主要集中予无化学反应的蓥硝磅究，其中对沸腾换热研究较 多，但对伴有化学反应的气液两相流研究很少，在微重力条件下研究伴有化学反应 的气液两褶流羹未见公开报道。 本文将借鉴气液两相流动的部分研究方法与成果，以直接甲醇燃料电池为平台， 研究伴有纯学反应豹气液两糟流动。 壹接甲醇燃籽电漶内的气滚两搁滚不同于传统热学意义上豹气液两葙流，它是 由于燃料或氧化剂在电极发生的电化学反应而形成的。这是一个极为复杂的问题， 整为它涉及裂多个领域的一些关键性闷题，如毫纯学反应，电渗力疑动，蒸发与凝 结，以及多鳃分扩散等问题。 1 5 1 直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池( d i r e c tm e t h a n o lf u e lc e l l ，d m f c ) 是质子交换膜燃料电池 的一种，其发电所需的燃料为甲醇和氧气( 空气) 。直接甲醇燃料电浊可以分为液态 遴料壹接甲醇燃料电池帮气态进瓣赢接掣簿燃料窀酒两秭，它们分剐采稻液态甲醇 和气态甲醇作为电池燃料。本文的研究对象就是这种液态甲醇进料的直接甲醇燃料 电池。 液态进料直接甲醇燃料电泡壹接馊用甲醇水溶波器为燃料参与毫池反应，不需 要进行燃料的煎整和净化，因而结构简单，操作方便。液态甲醇燃料来源丰富，价 格便宜，更重要的是其易于携带和储存，燃料 b 充方便，解决了一盥困扰蛰氢氧质 予交换膜燃料电池进一步发展的氢源闷题。另外，童接甲醇燃料电浊还具有快速、 多重癌动能力鞠能量密度高，响应负载速度快的性能。 由于这些独特的优势，赢接甲醇燃料电池特别适合于作为各种用途的可移动电 源，如车辆月动力电源和手梳、笔记本电脑等便携式电源辩7 舯。功率为5 0 1 0 0k w 的 惠接甲醇燃料电池固定式发邀设备，可以用于臻远地区、野外体韭、矿产勘探帮开 采设备供电。在航空军事领域，直接甲醇燃料电激也具有广激也具有广泛的应用自簪景。2 0 世纪 9 0 年l 弋以来，耋接甲黪燃糖电池的磷究与开发越来越受到重褫。 直接甲醇燃料电池涉及电鳃质、电催化、电极材料与加工、热物理等多个领域。 其中质子交换貘、催化剂、电极、檄板等一直是研究的热点，近年来，随着研究的 深入，世界各国逐渐认识到解决热物理问题对质子交换膜燃料电池发展的重要性， 对电池内部的热物理闻题的研究也越来越多 4 9 】。 矗接甲醇燃料毫、翘由极板，羯投，溪予交换膜(即电解质隰膜) ，阴叛构成。阴 l e 糸艇e 穴学t 学峻j ：学瓤沧立 榻漉影响缀盟萋。电懑颇时针和逆时针旋转时，电渣性糍都会f 蹲。 在公开发表的文献当中，尚未见到在微重力环境下对伴有化学反应的d m f c 阳 极两桶流动研究的公开报道。因此，本文作者分羽在常重力和微蘩力环境下对伴有 化学反应的d m f c 阳极流道内的气液两棚流动进行了实验研究。 1 6 本论文的工作重点 微重力气液两相流在人类空间探索与开发中有着熬来越大的应用价值，如在航 天器主动热控系统、动力与能源供应系统、流体篱理系统及航天员生命保障系统等 都存在有气( 汽) 液两相流现象。利用微重力环境减弱甚至完全消除重力的影响，简 纯流动中各稃不同因素闻的相互作蠲及滤型特 正，大大促进了对气液两穗流动特 芷 及流型产生与转换机理的研究。同时，微重力条件下的气液两相流动是空间技术领 域必绥解决的关键技求阌题之一，具有耋要的学术意义和重大豹应用价傻。 近十多年来，微重力气滚两相滚研究的优越牲及其在空闻应鼹方面的壹接需要， 激励了微重力气液两相流研究的迅速发展。不过，现有微重力气液两相流实验都集 中于无化学反应的气液两相流的研究，对传有化学反应的气液两相流的研究还未见 公开报道。 本文彳乍者以直接甲醇燃料宅渔为平台，开展了常重力和微熏力条件下伴有化学 反应的气液两相流的基础研究。对直接甲醇燃料电池而言，如何保证c 0 2 气体快 于流场中。 两相流的体积含气率随流动方向增加，纯们认为这对予阳极两裙流流型的研究很有帮助。gh 和z h a o t s 等人分别研究了蛇形流道两相流水平流动和竖直向上流渤时的流型变化 删：稿最箬氧夏齐i 秭翰澧i i 五墼耄冀铲觑构砀馘；嘲潮舶暖砸群带 争厅剐群雨宣鞫雕幢剽蹦舔渤争i确硝睁蟊渺戡啦州鼍鲺戳裁翳觌般罄墅雾疑拉热 更至黧帮程勾fj灞畦鋈氡型蹿i“躺；码矗摊糕裂骑弱醛磐蕊lj嚣篓裂甄鞠撼张靶 强到拷设计建墓滓蒜鎏囊甜掣脊籍煎，彩蕊警晶副蟊承函豁酣雕戳剡矗型剔氯 臻拳刮鼗蠹蓑浮嘞囊篓谨罱淳冶囊罐蹲唔嗣凄善姑转勰善譬熹骥。攀静最莆嚣篓蛹 剩醺出确委萎萋托积h1甜熙醚燃蹦理编掣基i下，对电波澄度对直接甲醇燃料电池内c 0 2 气泡和气液两棚流流动的影晌进行了可视亿研究。并对微重力环境不同电池温度下电池的电性能与常重力环境下的电性能进行了比较分析。 1 7 小结本章 x 第l 承绪沦 和应用。同时介绍了微重力的基本概念、流场特点及微重力环境下热物理问题的研 究现状。重点食缨了伴有化学反应的气渡两相流研究平台直接甲醇燃料电池的 结构、工作原理及阳极两相流研究现状。从中可以看至： ( 1 ) 微震力条件下的气液两相流动炬空间技术领域必须解决的关键技术问题之 一，具有重要的学术意义和重大的应用价值。微重力环境有不同于重力环境的些 特点。微重力环境的形成主要裔两大类，一类是乖j 嗣空阕技术，类是幂j 用遗蠢i i 设 旌。 ( 2 ) 燃料电池最初的研究尉的是应用于航天和军事。燃料电池因其高比功率、 裔跪靛量，晌瑾速度快、珥大功率、长时阀铗电豹特点，”在航天领域中豹应震又开 始得到重视。 ( 3 ) 真接甲醇燃料电池内的气液两相流不同予传统热学意义上的气液两相流， 它是出于燃料或氧化剂在电极发生的电化学反应而形成的。对液态进料j 耋接甲醇燃 料电波面言，不管怒在常熏力环境下，还是在微重力环境下，保证c 0 2 气体有效的撵 出电涟内部对于改善直接警醇燃料电涟内部静传热传痰，提高毫渣整体性能至关重 要。 ( 4 ) 凡十年来，对气液两栩漆动豹研究主要集中予无佬学反癍的熬础研究，其 中对沸腾换热研究较多，但对传有化学反应静气液两褪流研究很少，在微重力条件 下研究伴有化学反应的气液两相流更未见公开报道。作者拟以直接甲醇燃料电池为 平台，研究微重力条件下传有化学反应的气波两相漉动。 第2 章实验阁燃料电池晌醚汁与制造 电池阴极加热。 ( a ) 阳极端板( b ) 阴极端板 ( a ) a n o d e e n 畦p l a l e( b ) c 岫o d e e 艇p l a t e 图2 4 测量用电池的端掇 f i g 2 - 4e n dp l a t e so f t e s tc c l l 图2 。6 为电池的其他帮件。l 为极叛与膜电 极组件间的绝缘密封片，阴阳极侧各一片，既 起绝缘作用，又起密封作用，采用的材料为涂 有特富龙的玻璃纤维布。2 为与阴阳极叛相连的 外电路接线端子，材辩为铜。3 为透明板与阳极 极板问的密封片，材料为涂有特富龙的玻璃纤 维布。4 为绝缘衬套，材料为聚四氟乙烯，防止 蜾栓与金簇璇板接敲。5 为阳极端板与透明板闻 的密封片，又有导流的作用，材料为厚度1 m m 的硅胶片。6 为阴阳极极板进出口总管与外接管 连接的卡套接头，材料均为不锈钢。7 为夹紧电 图2 。5 加热片 f i g 2 5h e a l c r 池雳豹螺栓组件。8 为液袋与泵软管相连接的接头，材料为不锈钢。9 为定位销，采 用直径为4 m m 的聚四氟乙烯棒加工而成。 由于熬个实验系统要从1 2 4 m 高的落塔顶部扔下来，所以实验系统中的任一设备 都要牢孪豳定在本叛上。为了使燃料窀选固定牢露强各处受力均匀，终尝糁把毫浊 的固定件设计成电池的端扳形状，底部弯成“t ”状，如图2 7 所示。 由于在落塔实验过程中需要断电调质心并起吊落舱约3 0 分钟，而且实验是在寒 冷的冬天避行的，落塔内温度接近o ，因此为了减少燃料电池的敖热量，减少再次 加热时蓄电池的耗电量，作者给燃料电池做了保温设计，如图2 8 所示。保温屡采用 双层结构，内层用石棉，阻燃，但不保温；外层用橡塑海绵，不能耐高温，但保温。 l ，5 一绝缘片i n s u l a t i 硅g 或i c e s2 一取电端予n n e c t i n gp o l e s3 一密封片a l i n gs i l 4 一绝缘_ 髓套 i n s u l a t o r s6 ，8 一接头t i e - i n s7 一螺栓组件b o j t s ，n u t s g a s k e t s9 一定位销矗x e dp i n s 图2 6 直接甲酵燃料电池各部分缎件 f i g 2 6s 。g m e n t so f t h ed m f c ( a ) 鬻撮固定 孛( b ) 阳极弱定件 ( a ) c a f h o d ef i x e dp l a t e( b ) a n o d ef i x e dp l a t o 圈2 7 测景用电涟的圃定件 f 培2 7f i x e dp l a t e so f t e s tc e l l 2 3 貘电极组件 貘电扳组转( m e r n 妞a n 。嚣l e c 扛o d ea s s 嘲b l y ，m e a ) 是壹按甲醇燃料电洮豹核心 部件之一，对电池的输出功率、能量密度分布及工作寿命有着决定性的影响。本实 验选用了耨阳极、阴极耱膜热压在一趣的三合一缝件膜电极，魏强2 9 掰示。膜惫掇 缀件中，选桂邦公司的n a f l o nh 7 膜作瓣体电解质，采用碳布彳乍为扩散层，阳极催 化剂为载量为4 m g c m 2 的p t r 州c ，阴极催化剂为裁量为4 m g ，c m 2 的p t c 。该膜电极 第3 争史验系统的设计、建立及涧试 d g 一1 型蠕动泵的转速可以通过手动旋钮在1 3 1 8 0 “m i n 内连续调节。使用时，将柔 性或半柔性管子置入泵头，当电机旋转时，泵头压滚碾压泵管产生真空并驱动液体。 由于液体只接触软管，所以维修及清洗极其简单，只需定期更换软管即可。液体的 流量与泵的转速和软管的内径有关，当软管参数确定后，可通过调节泵的转速来调 整液体的流量。使用前，作者对蠕动泵的转速和流量关系进行了标定，图3 2 为标定 结果与拟合出的直线。根据拟合直线方程( 式3 1 ) ，只要设定好泵的转速就可计算 出泵的流量。 ，= 0 2 2 工 ( 3 1 ) 用贝塞尔公式( 式3 2 ) 可计算出拟合精度( 即用标准偏差表示) 为士3 。 式中：m 为未知量个数； n 为测量次数； v i 为残差，即矿，= y ，一j ，：，y i 为测量值；y i 为拟合值。 三 气 一 e 咖| 壤 转速r m i n 。1 图3 2 蠕动泵流量与转速关系曲线 f i g 3 - 2f 1 u x f r e q u e n c yc u r v eo f t h ep e r i s t a l t i cp u m p ( 3 2 ) 由于蠕动泵不能变送输出模拟信号，无法用数据采集卡采集到液体的流量，同 时，为了使液体流量计量更加准确，特在蠕动泵后加一液体流量计。该液体流量计 是美国c 0 1 ep a r i i l e r 公司生产的，型号为c z 3 2 9 0 8 4 3 ，精度为土2 ，响应时间1 0 0 m s ， 流量测量范围0 5 0 m l m i n ，变送输出o 一5 v 电压信号，流量与电压信号成线性关系。 j t 京t 业人学r 学锄i 掌能沦义 葵躁理为压差原理，强此不受落塔内磁场效应的彩响。 液体流量汁翦面装有液体过滤器，莸起过滤液镛= 的作用，又起到缓冲作用。液 体流量计后霸装有单向阗，藐止液体倒流。 在阳极供滚及排出系统中与甲醇溶液接触的所有管路、耀门、连接件等材料均 采厢不锈钢、聚四氟乙烯( p o l y t e t r 嘏u o f o e t h y i e n e ，p t f e ) 或全氟烷氧基聚合物 ( p e r n u o r o a l k o x y ，p f a ) 材翱。其中部分连接件为佟者囱行设计。 3 2 2 阴极供气及排放系统 阴极供气及撑放系统如图3 1 蹶示，来良氧气瓶憨离纯度氧气经截止阅和减压阖 调节到一定联力盾，经电磁阙，过滤嚣，质量沆量控制器，零肉瓣邀入实验魄没阴 极入口。在燃料电池中，氧气在阴极发生电化学反应，反应生成物水及多余的氧气 离歼燃料电、融经压力变送器，宣接进入装甲醇袋的桶肉，液体由稼不湿来吸收，两 气体对寅接放空捺出。 由于受空闯和重鬃的限制，本实验系统选用j e 京明愆克公司的4 i 的氧气瓶，最 大充装量为8 m p a ，锻合金材料，毖嘉5 4 8 黼，总重6 6 5 逸。 本实验系绞采用的气体质屋漉爨控测器是美辍c o i ep 锄o f 公司生产的，型号为 c z 。3 2 9 0 7 6 7 ，糖度为主1 ，嘛应酎闼1 m s ，流量测量范强o 1 】，m i n ，变送输出e 5 v 电压信号，流量与电压信号成线性关系。其原理为愿差原理，通过测孔板两边的魇 降算出体积流量，再通过温度传感器测出的温度，换算为质爨流壤。同时，该气体 质爨流量控制器弧p i d ( p r o p o r t i o n a li m e g r a ld e r i v a t i v e ，简称p i d ) 控制流摄，能大 大提高气体流量的控制精度。在使用中，为了避免气体中细小颗粒对流量控制器工 作稳定性的影响，在流量控胄l 器的入口淌安装有气体过滤器。同时，在出f 端还安 装有蕈向阀。 由予实验过程中要孛叛实验，装舱、调质心愿邋过囊动控制薰薪开启实验，这 就需要在氧气瓶后装常闭型电磁阀，通过控制电磁阀电源的通断来达到氧气通断 的翻的。 在阴极供气及排出系统中处于调节阀下游的与流体接触的管路、阙f 1 、连接件 等材料均采用不锈钢、聚湖氟己烯( p o l y t e 廿a f l u o r o e d l y l e n e ，p t f e ) 或聚全氟乙丙烯 ( f i u o r i n a t e d e t h y l o n e p r o p y i e n c ，f e p ) 材料。其中部分连接俘为作者鑫行设计。 3 。2 3 加热及温痘控制系统 液态进料直接甲醇燃料电池适宜的工作温度怒7 0 8 0 ，这就需要对燃料电池 遴行霸热并控制其温度。电池的加热元件为加热片，该加热片尺寸大小为5 0 m m 5 0 m m ，加热功率为 1 5 w 。加热片的功率跫通过系列实验来确定的。实验时丽做 落蟒实验时的实验系统和燃料电濑，湓擦仪温凄设定为鲫，甲醇溶液流量 第3 章交验系统| 【| 勺设汁、缝直及稠试 袭3 1 图像信号瓣类 t a b l e3 一lc a t o g o r i e so f p i c t u r es i g n a l s 3 2 8 数据采集系统 本实验中燃料电池的电流电压，气体液体流量等运行参数都是瞬态信号，需在 3 6 s 内捕捉要n 这些信号并能反映出它们的变化情况，因两需要高速采样器采集信号。 本实验的历有数据是逶逑一个其奄u s b 接口的多功鼹数据采集控制嚣来采集的，型 号为a q u l 2 1 6 ，8 路差动模拟电压输入，8 路模拟燮输出，o 1 的动态采集精度， 数据采集频率可在1 k h z 5 0 k 壬z 闻连续设曩。采集频率和采样对润可掇据实验要求通 过数据采集软件设置。本实验中模拟电骶输入嗣输出均选为5 v - 十5 v ，采样时间s ， 数据采集频率设为1 k h z ，8 路通道，则每通道的采样频率为1 2 5 z 。设备准备好后， 在真正释放下落前启动采样开关，存储容量3 2 m b ，可以满足落塔实验要求。测量参 数与对应的采集器通道觅表3 2 。 实验结束后先切断数据采集器愈源，再将数据线分别捶入电膝和数据采集嚣的 u s b 接口，通过数据采集软件将采集器内的数据导入电脑中。图3 4 数据读取及参 数设置的界露。 采集刭电脑中的数据利用相关的软件分析整理，霹得出系统的实验结果。本论 文中，作者选用o f f i c e 办公软件及o r i g i n 绘图软件等相关软件，对数据进行了分析 和整理。 3 2 9 供电系统以及控制系统 本实验系统的所有设备都是由皙电池来供电的。根据用电情况的不同，燃料电 池测试实验系统用电电源共分三档，2 4 v 小功率( 2 个1 2 v 6 5 a h 电池串联) 电池组 e 1 和1 2 v 小功率电池e 2 ( 见图3 8 ) ，2 4 v 大功率( 2 个1 2 v 3 2 舳电池串联) 电池 缀e 3 ( 觅闺3 ，9 ) 。 由于落塔实验下落后有16 9 的冲击力，普通的液体铅酸蓄电池受到大的冲击力易 簿坏，并溅出液体电解质，污染其他设备，甚至会导致安全攀敌。因诧，本实验中 所有的蓄电池都选用德国i n d u s t r i a lb 舐e 区e 争n e t 婚r kp o 、艟r 公司豹胶体阀控式鬻定 型铅酸电池s o f h l e n s c h e i n ( 阳光) a 4 0 0 系列，它采用固体凝胶电解质技术，内部无游 第3 章实验系统设活、建安及响试 很大，如图3 ，5 所示，锚酸薷电池的额定运行温度范围是l o 一3 0 ( 最佳运行温度 楚2 0 5 ) ，过低的潺度会降低蓄魄淑可罪容羹。焉实验时落塔内漏度几乎在o 以下，即蓄电池的可用容量只能达到8 4 左右。为确保所选的3 2 a h 蓄电池能满足 实验需求，作者特在0 以下的环境下让蓄电池在1 8 0 w 的输出功率下放电，并记录 放电时间和魄压。实验诞明2 个1 2 v 3 2 a h 电池串联使用完全可以傈证o 时3 0 m i n 供电。 2 4 v 小功率电池组选用2 个1 2 v 6 5 a h 电池串联，1 2 v 小功率电池选用1 个 1 2 v 6 5 a h 电池，都能满足实验要求。图3 6 是已固定在木板上的所有蓄电池组。 新买的蓄电洮要先添优4 8 h 才能投入馒用。为确保实验颓利进行，每次实验完 毕都要对蓄电池进行充电。高频充电器选用n f a 系列，是专门用来给1 2 v 铅酸电池 充电的。充电时将蓄电池缎按正确的极性与充电器避接。在此过程中充电器须呈断 开状态，不得连接负萄( 疰极拄至正端子) 。由于蓍电淮层安装在舱锥头豹最下露， 用电充电都不方便，用电时有的电池需串联使用，而充电需对每个蓄电池单独充电。 为此，中国中科院力学所的万士昕高级工程师特设计了两种不阔的电源接插件，一 个供电时使用，一个充电时使用。 图3 5 可输出容量与环境温度关系f 6 7 1 f i g 3 - 5e x 竹a c t e dc a p a c 酊i nr e l a t i 仰t o 廿l e 栅b i e n tt e m p e 州u r e 整个实验系统是透过可编程控副器( p r o g 灌嬲a b l el o g i cc o 曲l o l l e r ，篱称p l c ) 来控制的。p l c 是一种数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来 在其内部存储执行逻辑运算、顺序、控制、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字熊、模拟豹输入帮输出，控锘务穗类型的飙攮或生产过程。本实验中豹 控制量与控制方式如表3 3 所示。详细测控系统示意阑见附录l ，本文中燃料电池测 北京r 业人学l 学颀1 学位沦文 试实验系统的测控方案由作者设计制作，燃稃电池测试系统与落塔之间的接控制系统由中国科学院力学所的万士听高级王程师设计并制作。匿3 6 蓄电池组 f 酶3 6 s t o r a g eb 甜eries 图37充电器f i 晷3 7c h a 唱e r s表3 - 3 控制量与控制方式t a b l e 3-3 c o m m 儿e dp 删e t e r sa n d controljingm o d e s控制量 控制方式 第一组蓄电池e1(24伏小功率电池组) 第二组蓄电池e 2 ( 1 2 伏小功率屯淹) 第兰缀蓄电池e 3 ( 2 4 茯大功率电池组) 控带i数据采集器 控制图像切换 重力开关解锁信号 控制图像记录p l c 直接控制 p l c 赢接控制 p l c 闻接控制 ple直接控带p l c 懿接控制p l c 赢接控制中央控制室操作 第一组蓄电池e 1 ( 2 4 v 小功率电池组) 和第二组蓄电池e 2 ( 1 2 v 小功率电池)由p i ，c 直接控制，电路图如图3 培所示。 来鸯第一组蓄电池el(24v小功率电池组)正极的电源线先进入e1继电器线 圈，再接入dc24v端予摔，给各设备供电。来自第二组蓄电池e2(12v小功率电 池)厩极的电源线先进入勘继电器线圈，辫接入dc挖v端子排，给各设备供电。 p l c 通过控制e l 继电器线嬲和e 2 继电器线圈电源的透叛，来控制第一组蓍电池e l 和第二组蓄电池e 2 的通断，以达到控制各设备通电断电的目的。 电源e 1 和e 2 共地，并与测试信号及舱内测控系统共地。 温控仪、直流电流变送器、压力变换器1 与2 、电磁阀、继电器儿和j 2 正电源 第3 事戈验系统的设汁、建立及渊l 试 输入端经端子捧与第一组蓄电池e ll f 缀相连，其负端接入公基魏线。 液体流擐计、气体质羹滤量控制器、光源、c c d l 、c c d 2 、c c d 3 、c c d 4 f 电 源输入端经端子摊与第二组蓄电池e 2 正极相连，其负端也接入公共地线。 温控仪、直流电流变送器、压力变换器1 与2 、液体流量计、气体质量流量控制 器、燃料电池f c ( 或负载) 负极及重力传感器信号均与公共地线相连，并与信号线 一起按图示编号接入数据采集盒。 第三组蓄电沌e 3 ( 2 4 v 大功率电池组) 控制方案如图3 9 所示。 p l e 通过控制继电器j 2 的电源的通断来间接控制第三组蓄电池e 3 的接通或切 端。 第三组蓄电池e 3 ( 2 4 v 大功率电淑组) 分两路供电，一路经手动开关，d c 缱c 逆变器，继电器l x ：| 匕京p 凡学r 学坝十学论义 表3 4 控制丌关及用途 下a b l e3 4c o n t l l i n gs w i t c h e sa n du s e 控制开关用途 总电源开关 重力信号解锬，f 关 用户开关 数据采集器开荧 图像l 开关 图像2 开关 控制单舱总电源通断 开麓重力开关 控制用户电源通断 控制数据采集器 切换c c d l 和c c d 3 图像 切换c c d 2 和c c d 4 图像 强3 一ll 微重力f 直接甲醇燃料宅 氇涮试系统外鼹圉 f j g 3 1 lp i c t u r e o f t e s tr i g f o r d i r e c t m e t h 蛐o j 如e lc e l lu n d e r m i c r o 秽a v i t y 3 3 微重力实验设施落塔系统 本文豹所有微重力实验是在中国稀学院力学研究赝国家徽重力实验室豹落塔系 统内进行的。微重力落塔系统主要由落塔、落舱系统、释放提升系统、落舱回收系 统和测控系统及抽真空系统组成。 3 3 1 落塔 中国科学院力学研究所国家微重力实验室落塔的技术参数为：塔体总高1 2 4 m 地 面上1 1 6 m ，冀中塔体9 2 m ，其他2 4 m ；地面下8 m ，有效落高6 0 m ，塔体内径1 1 m 。 本实验的实验舱为擎舱，微熏力醣间3 。6 s ，微重力水平为l o - 3 9 。实验载蔫质量为双 舱2 0 0 埏，单舱1 5 0 k g ，回收减速过载 幽 钟 电流密度嗽c m 2 圈4 。9 35 4 m a ，c m 2 隧4 9 重力因素对赢接甲醇燃料电溅性能的影响 f i g 。4 - 9 i 三虢c to f g r a v 时o np e 南聃a n c eo f t h ed m f c 池的性能没发生变化。丽随着电流密度的增加，浓蓑极化程度越来越大，在微重力 环境下由于浮升力的消失对学醇溶液传质受阻影嗡也越来越大，因此电流密度为 9 9 6 m a c m 2 时电池性能下降很大。 如图4 9 3 所示，常重力环境下电流密度为5 4 m a c m 2 ( b 点，对应电压值0 1 0 4 v ) 霹，在微重力环境下其电流下降1 7 o ，电压下降1 8 2 。 从图4 - 9 中也可以看出，随着常重力环境下电压的升高，在微重力环境下电池电 流和电压的变化幅度越小。这是因为在不同的极化区域，浓差极化对电池性能的影 响程度不同。从4 次实验数据在性能曲线中所处的位置可以看出，在微重力环境下， 隧蕾浓差搬化程疫的加深，由抟质造成的性能下降程度越大。 4 3 ，j 、结 本章利耀垂彳亍设计的燃料电池和测试系统，分剐在常重力和微重力环境下，在 不同的电流密度下，对电池的性能和阳极气液两相流进行了实验研究，并对实验结 果进行了分析。 ( 1 ) 对在常重力环蠖下用自行设计的电池用电阻负载做出的性能蓝线进行了分 手厅。霜电阻负载做出豹憾能曲线无浓差极化区，丽且曲线斜率遥远大于一般的性能 曲线。原因可能是实验用燃料电池的接触电阻很大，导致电池的电压随电流的变化 北京t 业大学f 苛坝j j 掌 、，论文 率报大，还没进入浓差极化区电压已降到很低。男一个原因可能是电池达不到缀高 的电流密度区，反应物的供应充足，传质闷题不是导致惫溘性陵下降的主导因素。 ( 2 ) 在常重力环境下对不同电流密度下豹阳极c 0 2 气泡和气波谣楣流动进行了 可视化研究。实验发现，随着电流密度增大，流道内气体量增多，气泡尺寸变大。 但在实验中没有发现气弹堵塞流道的现象。气泡在流道内向上运动过程中伴随着在 流道内的摇摆。 ( 3 ) 对微重力环境下电池的电性能与常重力环境下的电性能进行了比较分析。 在微重力环畿下电渣的性能较常重力环境下有所下降，蕊且随着浓差极化程度的加 深 ! 生能下降的箍度越大。 ( 4 ) 在微重力环境下对不同电流密度下的阳极c 0 2 气泡和气液两相流动进行了 可视化研究，并与常熏力环境下的结果作了比较。随着电滚密度的增大，在微重力 坯境下气泡的变化趋势与常重力环境下稠同。丽在同一电流密度下不闷时刻，随着 时间的变