霧化器結(jié)構(gòu)對(duì)超聲霧化供給DMFC的性能影響研究

吳超群，葉 智，周 奇，黃文健，曹詩(shī)宇

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

直接甲醇燃料電池(DMFC)是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的一種，它具有理論能量密度高、運(yùn)行溫度低、燃料來(lái)源廣的特點(diǎn)，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1]，但其應(yīng)用和推廣還受到諸如甲醇滲透、陽(yáng)極CO2氣塞等問(wèn)題的限制[2]。

針對(duì)液態(tài)供給DMFC 中存在的氣液二相流現(xiàn)象，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用的研究手段主要有兩種：可視化研究和數(shù)學(xué)模型研究[3]。文獻(xiàn)[4]采用可視化的研究方法分析了不同參數(shù)下流場(chǎng)內(nèi)CO2氣泡的行為，結(jié)果表明流場(chǎng)中CO2氣泡的數(shù)量隨電流密度的升高而增加；文獻(xiàn)[5]采用歐拉-歐拉模型對(duì)流道內(nèi)的氣液二相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了電流密度、甲醇濃度和溫度對(duì)流道和擴(kuò)散層中氣液二相流動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[6]通過(guò)建立DMFC 的二維兩相模型研究了甲醇溶液的流速對(duì)電池內(nèi)部傳質(zhì)效率和電池性能的影響，指出在較高的電流密度時(shí)擴(kuò)散層中的氣相飽和度高達(dá)0.85，阻礙了燃料向催化層傳遞，降低電池性能。文獻(xiàn)[7]采用多流體法建立了蒸汽供給DMFC 的二維兩相非等溫模型，仿真結(jié)果表明采用蒸汽供給時(shí)CO2通過(guò)出口排出的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生甲醇蒸汽損失，使得甲醇蒸汽沿MEA 膜厚度方向分布不均勻。

課題組前期研究提出使用超聲霧化的方式來(lái)供給甲醇燃料，并已通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該方法在緩解甲醇滲透方面的有效性[8]。超聲霧化供給過(guò)程中，電池的陽(yáng)極與霧化腔直接連接，其內(nèi)部的二相流現(xiàn)象更為復(fù)雜。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，對(duì)霧化腔內(nèi)甲醇霧滴與空氣之間的二相流進(jìn)行了分析，研究氣液二相流對(duì)噴霧運(yùn)動(dòng)特性、甲醇溶液分布和甲醇滲透的影響，這對(duì)于進(jìn)一步提高電池運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。

1 陽(yáng)極霧化腔模型的建立與仿真設(shè)置

1.1 陽(yáng)極霧化腔模型的建立

如圖1 所示，本文所使用的超聲霧化供給DMFC 主要包括超聲霧化部分、霧化腔部分和發(fā)電部分。其中，超聲霧化部分由霧化片、棉芯和燃料腔組成，其功能是通過(guò)霧化片的高頻振動(dòng)將燃料腔中的甲醇溶液霧化成微小液滴并供給到霧化腔里。霧化腔的功能是對(duì)甲醇霧滴的運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行約束和導(dǎo)向，同時(shí)霧化腔頂端開有與外界相連的孔，用于CO2的排出。發(fā)電部分可以單獨(dú)作為功能完整的DMFC 來(lái)使用，其中MEA 膜的活化面積為2.2 cm×2.2 cm，流場(chǎng)板開孔率為36.5%，均勻分布25 個(gè)直徑為3 mm 的貫穿孔。

圖1 超聲霧化供給DMFC結(jié)構(gòu)

本文主要研究霧化器結(jié)構(gòu)對(duì)霧化腔內(nèi)氣液二相流現(xiàn)象以及電池性能的影響，因此選擇陽(yáng)極流場(chǎng)板開孔區(qū)域、霧化腔以及超聲霧化片為仿真分析的計(jì)算域，前期研究所使用的霧化腔模型和具體參數(shù)如圖2 所示。霧化腔高度和霧化片范圍分別為56 和4 mm，在后文的仿真與實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)單一變量的原則，分別改變霧化腔高度和霧化片開孔范圍，研究其對(duì)霧滴分布以及電池性能的影響。由于霧化腔的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理，按照流道與中軸線的距離將流道分為六類并編號(hào)，六類流道與流場(chǎng)板的中心距分別為0、4、5.66、8、8.94、11.31 mm。

圖2 霧化腔模型及流道編號(hào)

1.2 網(wǎng)格劃分及CFD 模型設(shè)置

在ANSYS 19.1 中對(duì)所建立的霧化腔模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后網(wǎng)格數(shù)量為263 828。本文采用FLUENT 19.1 提供的離散相模型對(duì)霧化腔內(nèi)的二相流現(xiàn)象進(jìn)行分析，將霧化腔內(nèi)的空氣、霧滴分別設(shè)為連續(xù)相和離散相，同時(shí)設(shè)置了三種邊界條件：入口邊界設(shè)置為霧化片開孔區(qū)域，入口速度根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行定義；出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，霧滴運(yùn)動(dòng)到出口時(shí)會(huì)從計(jì)算域消失并停止追蹤；在本模型中，除了入口與出口外均為壁面邊界。對(duì)于連續(xù)相空氣，在壁面處采用無(wú)滑移固定壁面；而對(duì)于霧滴，在壁面處采用“reflect”邊界條件，霧滴在運(yùn)動(dòng)到壁面后會(huì)被完全反射。最后設(shè)置霧滴的追蹤方式為瞬態(tài)追蹤，每隔0.025 s 對(duì)霧化腔內(nèi)的所有霧滴追蹤一次。

2 霧化器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧運(yùn)動(dòng)特性影響的仿真分析

2.1 霧化腔高度對(duì)霧滴分布的影響

圖3 展示的是霧化片開孔范圍為4 mm 時(shí)，霧化腔高度對(duì)霧滴速度的影響。可以看出霧滴的速度隨噴射高度的增加而降低，同一高度截面上，霧滴離中心越近速度最大。另一方面隨著霧化腔高度增加，霧滴在到達(dá)霧化腔頂部時(shí)的動(dòng)能損失增大，霧滴速度變小，當(dāng)霧化腔高度增加至66 mm 時(shí)，霧滴在到達(dá)霧化腔頂部時(shí)的速度已經(jīng)接近0，繼續(xù)增加霧化腔高度將會(huì)有大量霧滴無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極流場(chǎng)板。

圖3 不同霧化腔高度下霧滴速度云圖

圖4 展示的是霧化腔高度對(duì)各流道中霧滴逸出速率的影響，可以看出隨著霧化腔高度的增加，通過(guò)流場(chǎng)中間1 號(hào)、2 號(hào)流道的霧滴逸出速率迅速降低，外側(cè)4、5、6 號(hào)流道的霧滴逸出速率則有所增加。這是因?yàn)殪F滴噴出后具有一定的初速度和霧化錐角，在霧化腔高度較低時(shí)霧滴向外側(cè)的徑向運(yùn)動(dòng)有限，大多數(shù)霧滴仍然通過(guò)流場(chǎng)中間1、2 號(hào)流道逸出；隨著霧化腔高度增加，霧滴在徑向上的運(yùn)動(dòng)更加充分，霧滴在到達(dá)霧化腔頂部時(shí)的覆蓋范圍更廣，使得通過(guò)1 號(hào)、2 號(hào)流道逸出的霧滴數(shù)量減少，但是增加霧化腔高度也會(huì)導(dǎo)致霧滴的動(dòng)能損失增大，很多霧滴在到達(dá)流場(chǎng)前速度就降為零，所以通過(guò)1、2 號(hào)流道的霧滴逸出速率下降明顯，而其他流道中的霧滴逸出速率增加不明顯。

圖4 霧化腔高度對(duì)甲醇霧滴分布的影響

2.2 霧化片開孔范圍對(duì)霧滴分布的影響

圖5 展示的是霧化腔高度為56 mm 時(shí)，霧化片開孔范圍對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)特性的影響。可以看出當(dāng)霧化片開孔范圍降低到3 mm 時(shí)，霧滴的分布更加集中。隨著霧化片開孔范圍的增加，同一高度下的霧滴速度略有提高，這是因?yàn)樵黾娱_孔范圍后，靠近中軸線的霧滴與空氣之間的接觸減少，霧滴與空氣間摩擦造成的能量損失下降，因此霧滴的速度相對(duì)更快。同時(shí)，增大霧化片的開孔范圍可以提高霧滴的覆蓋區(qū)域，使霧滴在陽(yáng)極流場(chǎng)的分布更加均勻。

圖5 不同開孔范圍下霧滴速度云圖

圖6 是霧化片開孔范圍對(duì)甲醇分布的影響曲線。隨著開孔范圍的增加，通過(guò)1、2 號(hào)流道逸出的霧滴數(shù)量有所降低、通過(guò)其他流道逸出的霧滴數(shù)量有所增加，而開孔范圍繼續(xù)增加至6 mm 后霧滴通過(guò)各流道的逸出速率變化不大。這是因?yàn)樵黾娱_孔范圍并沒(méi)有改變霧化片上錐孔的數(shù)量和角度，因此錐孔之間的間距增大，噴霧覆蓋范圍變廣，通過(guò)外側(cè)逸出的霧滴更多。但是，過(guò)多的增加開孔范圍會(huì)導(dǎo)致霧滴沿高度方向的速度較低，動(dòng)能損耗較快，在未到達(dá)霧化腔頂部時(shí)速度已衰減至零，因此當(dāng)開孔范圍增加到6 mm 時(shí)，對(duì)霧滴溢出速率的影響不大。

圖6 開孔范圍對(duì)甲醇霧滴分布的影響

由仿真分析的結(jié)果可知，通過(guò)調(diào)整霧化片參數(shù)，可以改變甲醇霧滴的分布以及溢出速率，這會(huì)影響陽(yáng)極流場(chǎng)內(nèi)甲醇溶液的分布以及甲醇滲透的程度，進(jìn)而影響電池性能[6]。因此本文進(jìn)一步對(duì)電池性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)量電池的開路電壓來(lái)反映甲醇滲透的程度，對(duì)仿真分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3 霧化器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電池性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 電池性能測(cè)試平臺(tái)

圖7 為所搭建的電池性能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括超聲霧化供給DMFC、甲醇燃料供給系統(tǒng)、超聲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電子負(fù)載。甲醇溶液供給系統(tǒng)主要包括蠕動(dòng)泵和儲(chǔ)液罐，主要目的是將儲(chǔ)液罐中的燃料供給至霧化器的燃料腔中；超聲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能是將高頻電信號(hào)傳遞給壓電陶瓷，使霧化片發(fā)生高頻振動(dòng)；電子負(fù)載用于對(duì)DMFC 電池性能的測(cè)量。

圖7 電池性能測(cè)試系統(tǒng)

本文選擇開路放電曲線對(duì)電池性能及甲醇滲透程度進(jìn)行表征。在電池激活后，使用電子負(fù)載以5 s 的間隔記錄電池的開路電壓值，再通入甲醇溶液，當(dāng)電池的電壓值在2 min時(shí)間里波動(dòng)小于0.005 V 時(shí)，認(rèn)為電池已經(jīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)停止測(cè)試，保存數(shù)據(jù)。整個(gè)測(cè)試都是在環(huán)境溫度下進(jìn)行的。

3.2 霧化腔高度對(duì)電池開路放電特性的影響

圖8 是霧化片開孔范圍d為4 mm，霧化腔高度h為56 和66 mm 時(shí)不同甲醇濃度下電池的開路電壓曲線。表1 記錄了電池在不同霧化腔高度和不同供給濃度下電池的UOCV(開路電壓值)和tCRT(特征響應(yīng)時(shí)間)。

圖8 不同高度下的開路電壓曲線

表1 不同供給濃度、霧化腔高度下電池的UOCV 和tCRT 值

從表1 可以看出，在兩種霧化腔高度下，隨著甲醇濃度的增加，電池的UOCV值逐漸降低。這是因?yàn)閁OCV值的大小與甲醇滲透密切相關(guān)，UOCV越小則甲醇滲透越嚴(yán)重。因此可以判斷出隨著甲醇濃度的提高，陰極與陽(yáng)極之間的濃度差增大，甲醇滲透更加嚴(yán)重，從而陰極的過(guò)電位不斷增加，直到達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)電池的UOCV值才逐漸穩(wěn)定。另一方面，隨著甲醇濃度的增加，tCRT值變小。這是因?yàn)樘岣呒状紳舛群螅?yáng)極的傳質(zhì)效率得到增加。

結(jié)合圖8 與表1 中不同霧化腔高度下電池性能的對(duì)比可知，隨著霧化腔高度的增加，在2、4、8 mol/L 下電池的穩(wěn)態(tài)UOCV略有提高。由第2 節(jié)的仿真分析可知，霧化腔高度增加后，離中軸線較近的流道中甲醇供給速率顯著降低，因此流道中聚集形成的液滴較小，對(duì)擴(kuò)散層表面的壓力也減小。即霧化腔高度的增加會(huì)造成電池陽(yáng)極與陰極間的壓力梯度減小，而濃度梯度和壓力梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散是造成甲醇滲透的主要原因，所以當(dāng)壓力梯度減小時(shí)甲醇滲透量也較小，穩(wěn)態(tài)UOCV值有所提高。

3.3 霧化片開孔范圍對(duì)電池開路放電特性的影響

圖9 是霧化腔高度為56 mm，霧化片開孔范圍為4 和5 mm 時(shí)，不同甲醇濃度下電池的開路電壓曲線。結(jié)合圖9 與表2 可以看出，當(dāng)甲醇濃度為2 和4 mol/L 時(shí)，增加開孔范圍后穩(wěn)態(tài)UOCV值與tCRT值均有所提升；當(dāng)甲醇濃度為8 mol/L 時(shí)，UOCV值與tCRT值反而有所下降。根據(jù)第2 節(jié)的仿真分析可知，增大開孔范圍會(huì)降低流場(chǎng)中間區(qū)域甲醇供給速率。當(dāng)甲醇濃度較低時(shí)，增大開孔范圍可以減小擴(kuò)散層中心區(qū)域受到的沖擊壓力，緩解由壓力梯度差造成的甲醇滲透，提高UOCV值。而甲醇濃度較高時(shí)，流場(chǎng)外側(cè)流道中的甲醇供給速率增加使催化層表面的燃料供給速率更加均勻、內(nèi)部的傳質(zhì)效率得到了提高，所以甲醇滲透加劇，UOCV值下降。

圖9 不同開孔范圍下的開路電壓曲線

表2 不同開孔范圍下電池的UOCV 和tCRT 值

4 結(jié)論

(1) 霧化腔高度對(duì)離中軸線較近的流道的霧滴供給速率影響較大，對(duì)離中軸線較遠(yuǎn)的流道的霧滴供給速率影響較小，增加霧化腔高度可以緩解由壓力梯度導(dǎo)致的甲醇滲透。總體而言，供給2、4 mol/L 甲醇溶液時(shí)提高霧化腔高度有利于提高電池性能，供給8 mol/L 甲醇溶液時(shí)降低霧化腔高度有利于提高電池性能；

(2) 霧化片開孔范圍對(duì)離中軸線較遠(yuǎn)的流道中的霧滴供給速率影響較大，對(duì)離中軸線較近的流道中的霧滴供給速率影響較小。增大霧化片開孔范圍會(huì)使流場(chǎng)各個(gè)流道的霧滴分布更均勻，在低濃度下，能夠緩解由壓力梯度差造成的甲醇滲透，提高UOCV值；

(3)當(dāng)霧化腔高度為56 mm、開孔范圍為5 mm 時(shí)，各個(gè)流道內(nèi)的霧滴分布最均勻，霧滴的覆蓋范圍最佳，甲醇滲透現(xiàn)象也得到改善。繼續(xù)增加霧化腔高度或霧化片開孔范圍對(duì)電池性能的提升不大，甚至?xí)?dǎo)致部分液滴由于動(dòng)力損失無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極流場(chǎng)，浪費(fèi)甲醇燃料。