雾化器结构对超声雾化供给DMFC的性能影响研究

2021-07-29吴超群黄文健曹诗宇

电源技术 2021年7期

吴超群，叶智，周奇，黄文健，曹诗宇

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

直接甲醇燃料电池(DMFC)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一种，它具有理论能量密度高、运行温度低、燃料来源广的特点，引起了学者们的广泛关注[1]，但其应用和推广还受到诸如甲醇渗透、阳极CO2气塞等问题的限制[2]。

针对液态供给DMFC 中存在的气液二相流现象，目前国内外学者采用的研究手段主要有两种：可视化研究和数学模型研究[3]。文献[4]采用可视化的研究方法分析了不同参数下流场内CO2气泡的行为，结果表明流场中CO2气泡的数量随电流密度的升高而增加；文献[5]采用欧拉-欧拉模型对流道内的气液二相流动进行了数值模拟，详细研究了电流密度、甲醇浓度和温度对流道和扩散层中气液二相流动的影响。文献[6]通过建立DMFC 的二维两相模型研究了甲醇溶液的流速对电池内部传质效率和电池性能的影响，指出在较高的电流密度时扩散层中的气相饱和度高达0.85，阻碍了燃料向催化层传递，降低电池性能。文献[7]采用多流体法建立了蒸汽供给DMFC 的二维两相非等温模型，仿真结果表明采用蒸汽供给时CO2通过出口排出的同时会产生甲醇蒸汽损失，使得甲醇蒸汽沿MEA 膜厚度方向分布不均匀。

课题组前期研究提出使用超声雾化的方式来供给甲醇燃料，并已通过实验证实该方法在缓解甲醇渗透方面的有效性[8]。超声雾化供给过程中，电池的阳极与雾化腔直接连接，其内部的二相流现象更为复杂。本文在前期研究的基础上，通过仿真分析与实验结合的方式，对雾化腔内甲醇雾滴与空气之间的二相流进行了分析，研究气液二相流对喷雾运动特性、甲醇溶液分布和甲醇渗透的影响，这对于进一步提高电池运行过程中的稳定性具有重要的指导意义。

1 阳极雾化腔模型的建立与仿真设置

1.1 阳极雾化腔模型的建立

如图1 所示，本文所使用的超声雾化供给DMFC 主要包括超声雾化部分、雾化腔部分和发电部分。其中，超声雾化部分由雾化片、棉芯和燃料腔组成，其功能是通过雾化片的高频振动将燃料腔中的甲醇溶液雾化成微小液滴并供给到雾化腔里。雾化腔的功能是对甲醇雾滴的运动空间进行约束和导向，同时雾化腔顶端开有与外界相连的孔，用于CO2的排出。发电部分可以单独作为功能完整的DMFC 来使用，其中MEA 膜的活化面积为2.2 cm×2.2 cm，流场板开孔率为36.5%，均匀分布25 个直径为3 mm 的贯穿孔。

图1 超声雾化供给DMFC结构

本文主要研究雾化器结构对雾化腔内气液二相流现象以及电池性能的影响，因此选择阳极流场板开孔区域、雾化腔以及超声雾化片为仿真分析的计算域，前期研究所使用的雾化腔模型和具体参数如图2 所示。雾化腔高度和雾化片范围分别为56 和4 mm，在后文的仿真与实验中，依据单一变量的原则，分别改变雾化腔高度和雾化片开孔范围，研究其对雾滴分布以及电池性能的影响。由于雾化腔的结构具有对称性，为了简化数据处理，按照流道与中轴线的距离将流道分为六类并编号，六类流道与流场板的中心距分别为0、4、5.66、8、8.94、11.31 mm。

图2 雾化腔模型及流道编号

1.2 网格划分及CFD 模型设置

在ANSYS 19.1 中对所建立的雾化腔模型进行网格划分，划分后网格数量为263 828。本文采用FLUENT 19.1 提供的离散相模型对雾化腔内的二相流现象进行分析，将雾化腔内的空气、雾滴分别设为连续相和离散相，同时设置了三种边界条件：入口边界设置为雾化片开孔区域，入口速度根据实验数值进行定义；出口边界条件为压力出口，出口压力为标准大气压，雾滴运动到出口时会从计算域消失并停止追踪；在本模型中，除了入口与出口外均为壁面边界。对于连续相空气，在壁面处采用无滑移固定壁面；而对于雾滴，在壁面处采用“reflect”边界条件，雾滴在运动到壁面后会被完全反射。最后设置雾滴的追踪方式为瞬态追踪，每隔0.025 s 对雾化腔内的所有雾滴追踪一次。

2 雾化器结构参数对喷雾运动特性影响的仿真分析

2.1 雾化腔高度对雾滴分布的影响

图3 展示的是雾化片开孔范围为4 mm 时，雾化腔高度对雾滴速度的影响。可以看出雾滴的速度随喷射高度的增加而降低，同一高度截面上，雾滴离中心越近速度最大。另一方面随着雾化腔高度增加，雾滴在到达雾化腔顶部时的动能损失增大，雾滴速度变小，当雾化腔高度增加至66 mm 时，雾滴在到达雾化腔顶部时的速度已经接近0，继续增加雾化腔高度将会有大量雾滴无法到达阳极流场板。

图3 不同雾化腔高度下雾滴速度云图

图4 展示的是雾化腔高度对各流道中雾滴逸出速率的影响，可以看出随着雾化腔高度的增加，通过流场中间1 号、2 号流道的雾滴逸出速率迅速降低，外侧4、5、6 号流道的雾滴逸出速率则有所增加。这是因为雾滴喷出后具有一定的初速度和雾化锥角，在雾化腔高度较低时雾滴向外侧的径向运动有限，大多数雾滴仍然通过流场中间1、2 号流道逸出；随着雾化腔高度增加，雾滴在径向上的运动更加充分，雾滴在到达雾化腔顶部时的覆盖范围更广，使得通过1 号、2 号流道逸出的雾滴数量减少，但是增加雾化腔高度也会导致雾滴的动能损失增大，很多雾滴在到达流场前速度就降为零，所以通过1、2 号流道的雾滴逸出速率下降明显，而其他流道中的雾滴逸出速率增加不明显。

图4 雾化腔高度对甲醇雾滴分布的影响

2.2 雾化片开孔范围对雾滴分布的影响

图5 展示的是雾化腔高度为56 mm 时，雾化片开孔范围对雾滴运动特性的影响。可以看出当雾化片开孔范围降低到3 mm 时，雾滴的分布更加集中。随着雾化片开孔范围的增加，同一高度下的雾滴速度略有提高，这是因为增加开孔范围后，靠近中轴线的雾滴与空气之间的接触减少，雾滴与空气间摩擦造成的能量损失下降，因此雾滴的速度相对更快。同时，增大雾化片的开孔范围可以提高雾滴的覆盖区域，使雾滴在阳极流场的分布更加均匀。

图5 不同开孔范围下雾滴速度云图

图6 是雾化片开孔范围对甲醇分布的影响曲线。随着开孔范围的增加，通过1、2 号流道逸出的雾滴数量有所降低、通过其他流道逸出的雾滴数量有所增加，而开孔范围继续增加至6 mm 后雾滴通过各流道的逸出速率变化不大。这是因为增加开孔范围并没有改变雾化片上锥孔的数量和角度，因此锥孔之间的间距增大，喷雾覆盖范围变广，通过外侧逸出的雾滴更多。但是，过多的增加开孔范围会导致雾滴沿高度方向的速度较低，动能损耗较快，在未到达雾化腔顶部时速度已衰减至零，因此当开孔范围增加到6 mm 时，对雾滴溢出速率的影响不大。

图6 开孔范围对甲醇雾滴分布的影响

由仿真分析的结果可知，通过调整雾化片参数，可以改变甲醇雾滴的分布以及溢出速率，这会影响阳极流场内甲醇溶液的分布以及甲醇渗透的程度，进而影响电池性能[6]。因此本文进一步对电池性能进行测试，通过测量电池的开路电压来反映甲醇渗透的程度，对仿真分析的结果进行验证。

3 雾化器结构参数对电池性能影响的实验研究

3.1 电池性能测试平台

图7 为所搭建的电池性能测试系统。该系统主要包括超声雾化供给DMFC、甲醇燃料供给系统、超声驱动系统和电子负载。甲醇溶液供给系统主要包括蠕动泵和储液罐，主要目的是将储液罐中的燃料供给至雾化器的燃料腔中；超声驱动系统的功能是将高频电信号传递给压电陶瓷，使雾化片发生高频振动；电子负载用于对DMFC 电池性能的测量。

图7 电池性能测试系统

本文选择开路放电曲线对电池性能及甲醇渗透程度进行表征。在电池激活后，使用电子负载以5 s 的间隔记录电池的开路电压值，再通入甲醇溶液，当电池的电压值在2 min时间里波动小于0.005 V 时，认为电池已经达到动态稳定状态，此时停止测试，保存数据。整个测试都是在环境温度下进行的。

3.2 雾化腔高度对电池开路放电特性的影响

图8 是雾化片开孔范围d为4 mm，雾化腔高度h为56 和66 mm 时不同甲醇浓度下电池的开路电压曲线。表1 记录了电池在不同雾化腔高度和不同供给浓度下电池的UOCV(开路电压值)和tCRT(特征响应时间)。

图8 不同高度下的开路电压曲线

表1 不同供给浓度、雾化腔高度下电池的UOCV 和tCRT 值

从表1 可以看出，在两种雾化腔高度下，随着甲醇浓度的增加，电池的UOCV值逐渐降低。这是因为UOCV值的大小与甲醇渗透密切相关，UOCV越小则甲醇渗透越严重。因此可以判断出随着甲醇浓度的提高，阴极与阳极之间的浓度差增大，甲醇渗透更加严重，从而阴极的过电位不断增加，直到达到平衡状态时电池的UOCV值才逐渐稳定。另一方面，随着甲醇浓度的增加，tCRT值变小。这是因为提高甲醇浓度后，阳极的传质效率得到增加。

结合图8 与表1 中不同雾化腔高度下电池性能的对比可知，随着雾化腔高度的增加，在2、4、8 mol/L 下电池的稳态UOCV略有提高。由第2 节的仿真分析可知，雾化腔高度增加后，离中轴线较近的流道中甲醇供给速率显著降低，因此流道中聚集形成的液滴较小，对扩散层表面的压力也减小。即雾化腔高度的增加会造成电池阳极与阴极间的压力梯度减小，而浓度梯度和压力梯度导致的扩散是造成甲醇渗透的主要原因，所以当压力梯度减小时甲醇渗透量也较小，稳态UOCV值有所提高。

3.3 雾化片开孔范围对电池开路放电特性的影响

图9 是雾化腔高度为56 mm，雾化片开孔范围为4 和5 mm 时，不同甲醇浓度下电池的开路电压曲线。结合图9 与表2 可以看出，当甲醇浓度为2 和4 mol/L 时，增加开孔范围后稳态UOCV值与tCRT值均有所提升；当甲醇浓度为8 mol/L 时，UOCV值与tCRT值反而有所下降。根据第2 节的仿真分析可知，增大开孔范围会降低流场中间区域甲醇供给速率。当甲醇浓度较低时，增大开孔范围可以减小扩散层中心区域受到的冲击压力，缓解由压力梯度差造成的甲醇渗透，提高UOCV值。而甲醇浓度较高时，流场外侧流道中的甲醇供给速率增加使催化层表面的燃料供给速率更加均匀、内部的传质效率得到了提高，所以甲醇渗透加剧，UOCV值下降。