小型直接甲醇燃料電池在微重力環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著航天器能量消耗的不斷提高，航天用電源受到越來越多的重視。目前，航天科學(xué)的發(fā)展要求能量密度高，反應(yīng)速度快，壽命長的電源。 燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)，將燃料和氧化劑中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。它具有能量密度高，運(yùn)行可靠，壽命長和反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，是航天用電源的理想選擇之一。 與常重力相比，在微重力環(huán)境中，兩相流動(dòng)現(xiàn)象和傳熱傳質(zhì)規(guī)律都有所不同。在燃料電池內(nèi)部，存在復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)和氣液兩相流動(dòng)和傳質(zhì)現(xiàn)象。在地面使用時(shí)

2、，燃料電池的性能受傳質(zhì)過程的影響。在微重力環(huán)境中使用時(shí)，燃料電池的性能也與在常重力環(huán)境中使用時(shí)不同。 本文在第一期微重力實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對原實(shí)驗(yàn)臺(tái)和燃料電池的設(shè)計(jì)均進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。借助百米落塔，進(jìn)行了直接甲醇燃料電池微重力實(shí)驗(yàn)。探索了不同負(fù)載下，不同陽極甲醇濃度，不同陽極流量下，不同布置方式下，直接甲醇燃料電池在微重力環(huán)境下的性能。同時(shí)進(jìn)行了短時(shí)微重力下直接甲醇燃料電池的陽極可視化的研究，測量了不同流量下，CO<,2>氣泡在陽極

3、流道中的速度，分析了CO<,2>氣泡的成長規(guī)律。 本文主要工作及取得成果如下： 1．改進(jìn)直接甲醇燃料電池設(shè)計(jì)。將原金屬極板更換為石墨極板，同時(shí)在陰極金屬夾板上集成了預(yù)加熱。本文進(jìn)行了長時(shí)間的對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明新設(shè)計(jì)的電池在性能上比第一期微重力實(shí)驗(yàn)時(shí)有較大改進(jìn)。 2．原落塔用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)。本文對錄像系統(tǒng)，光源系統(tǒng)和電流測量等進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)。 3．進(jìn)行了微重力環(huán)境中小型直接甲醇燃料電池的電池性能實(shí)驗(yàn)研究

4、。直接甲醇燃料電池運(yùn)行工況受濃差極化影響越大，電池性能受重力影響就越大。使用高濃度甲醇溶液時(shí)，電池性能受重力影響小。受本文設(shè)計(jì)電池形式所限，水平布置該直接甲醇燃料電池時(shí)，電池性能仍受重力影響。不同的流量下，不同重力條件對燃料電池性能影響的程度相當(dāng)。 4．進(jìn)行了微重力環(huán)境中小型直接甲醇燃料電池陽極兩相流實(shí)驗(yàn)研究。電池豎直放置時(shí)，常重力環(huán)境中，直接甲醇燃料電池的陽極兩相流型為泡狀流，氣泡運(yùn)動(dòng)速度很快；在短時(shí)微重力環(huán)境中，直接甲醇燃料

5、電池的陽極兩相流型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鳎瑲馀葸\(yùn)動(dòng)速度明顯減慢。電池水平放置時(shí)，重力效應(yīng)被削弱，在常重力環(huán)境中，直接甲醇燃料電池的陽極兩相流型為塊狀流，與電池豎直放置時(shí)不同；在微重力環(huán)境中，直接甲醇燃料電池的陽極兩相流型也為塊狀流。在微重力環(huán)境中，氣泡運(yùn)動(dòng)速度慢，不同流道間的差異較大。在常重力環(huán)境中，CO<,2>氣泡主要通過氣泡間的相互合并長大。在微重力環(huán)境中，CO<,2>氣泡前期生長主要是在MEA表面逐漸長大，長大以后的氣泡相互接觸，會(huì)相互