被动式DMFC阳极通道气泡行为的实验研究

将被动式DMFC阳极通道内气泡形成过程简化为CO2气体注入充满静态甲醇溶液中形成气泡的过程。利用可视化实验研究了气体垂直注入静态甲醇溶液中形成气泡以及气泡脱离的过程,考察了气体流量、液层高度、孔径大小、甲醇浓度对气泡形成及长大脱离过程的影响。结果表明：在气泡的生长过程中,接触角先是快速下降后又迅速上升,然后趋于稳定值直...     

CO_2气泡脱离扩散层孔口过程的数值模拟

在直接甲醇燃料电池(DMFC)中,阳极催化层表面反应生成的CO2气体通过扩散层,及时排出阳极通道,对提高DMFC电流密度具有重要意义,因此研究气泡脱离孔口的过程很有益。今采用Fluent6.2.16对CO2气泡脱离扩散层孔口过程、两孔时气泡形成及聚并过程进行了数值模拟,考察了阳极通道内液体流速、扩散层孔道直径等因素对气泡脱离的影响。结果表明,阳极通道内液体流速越大,气泡脱离扩散层孔口所需的时间越短;扩散层孔道直径越大,气泡脱离扩散层孔口所需的时间越长,且生成的气泡越大;由于从相邻两扩散层孔道出来的气泡的阻挡和挤压作用,使得两气泡周围的压力分布与单气泡不同,气泡脱离过程与从单个扩散层孔口的脱离过程有所不同,脱离时间更早。     

被动式直接甲醇燃料电池的性能影响因素研究

研究了制约被动式直接甲醇燃料电池(被动式DMFC)性能的因素。通过测定电池的极化曲线、功率密度曲线、长时间放电曲线等手段研究了被动式甲醇燃料电池在不同阴极供料方式、不同阳极供料方式、不同催化剂载量、不同电池温度等条件下的放电特性。测试结果表明:阴极氧气扩散速率较慢是导致被动式电池性能较低的一个主要因素,阴极采用主动进料时电池的性能相比被动式DMFC提高了23.5%,最大功率密度达到8.4mW?cm?2。而且阴极的水淹问题也制约了被动式DMFC的长时间放电性能。提高阴阳极的催化剂载量能显著提高电池的性能,阴阳极催化剂载量为4.0mg?cm?2时,最大功率密度达到11.4mW?cm?2。但是催化剂载量的提高会影响电池的长时间放电性能,特别是,提高阴极催化剂载量能显著提高电池的温度,所以能较大提升电池的性能。     

被动式微型直接甲醇燃料电池燃料供应技术进展

作为便携式电子设备下一代电源的可能选择之一,微型被动式直接甲醇燃料电池受到越来越多的关注.微型化及被动式的特点给电池反应物的供给带来了新的挑战.本文对近年来被动式燃料电池的各种供液方式,包括气态供料、直接浸泡阳极、二氧化碳驱动供液,利用毛细作用和表面张力等进行了综述,对其技术特点及前景做了分析与讨论.     

壁面亲水性对DMFC阳极通道内气液两相流影响的数值模拟

采用计算流体力学软件FLUENT对DMFC阳极通道内的气液两相流进行数值模拟,考察了阳极通道壁面的亲水性质对通道内气液两相流的影响.模拟结果表明:当流道侧壁面为憎水性时,CO2气体排出速度较快,但不利于反应物向扩散层方向迁移;当流道侧壁面和扩散层(GDL)表面均为亲水性时,有利于反应物向GDL方向迁移,但CO2气体排出阳极通道的速度较慢;当流道侧壁面为亲水性、GDL表面为憎水性时,既有利于反应物向GDL方向迁移,又有利于CO2气体排出通道.     

DMFC阳极多元合金催化剂的研究进展

介绍了直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极Pt基三元、四元合金催化剂和非Pt基催化剂的制备方法,综述了甲醇催化氧化性能和相关反应机理的发展现状，讨论了DMFC多元合金电催化剂的发展趋势,研究结果表明,不同的合金组成和不同的催化剂载体对阳极催化剂的催化活性有着直接的影响。     

气浮接触区气泡聚并行为的数值模拟

在气浮接触区内,聚并会导致气泡直径增大,对分离效果产生影响。采用相群平衡模型对接触区气泡聚并行为进行数值模拟,研究了气泡聚并发生的原因及来液流量、回流流量对气泡聚并的影响。首先分别应用Schiller-Naumann、Grace和Tomiyama3种曳力系数模型进行模拟,所得气泡直径均与实验值吻合,无明显差异,选定Schiller-Naumann曳力系数模型对气浮中两相流动进行模拟。通过对模拟结果进行分析,表明回流入口周围上下行流过渡区域存在较大速度梯度,是导致气泡聚并的关键因素。最后研究了来液流量和回流流量对接触区气泡尺寸的影响,接触区上部气泡直径随回流流量增大而明显增大,原因在于增大回流流量使得过渡区域速度梯度升高,气泡聚并频率提高;而来液流量对气泡尺寸基本无影响。     

隔板塔气体调配装置数值模拟及实验研究

针对隔板塔中隔板两侧气体分配比难以调节的问题,提出了一种新型隔板塔气体调配装置。利用计算流体力学软件STAR-CCM+对该装置的性能进行了模拟分析,并经实验研究对模拟结果进行验证;对不同塔径下升气槽个数进行了模拟研究。结果表明:该气体调配装置能够有效地调节气体在隔板两侧的分配,并且气体通过该装置后分布较均匀,成功实现了气相在隔板塔内的分配控制,实验结果和模型模拟值符合良好。     

直接甲醇燃料电池(DMFC)改性阳极催化剂的研究进展

介绍了国内外直接甲醇燃料电池（DMFC）的研究状况及其工作原理,阐述了DMFC阳极改性催化剂的作用机理,重点对目前国内外研究的各种改性催化剂体系进行了比较和评价,探讨了电催化剂的发展方向。     

新型被动式自呼吸纯甲醇燃料电池问世

一种采用纯甲醇进料方式的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池近期在长春问世。该电池由中科院长春应用化学研究所研制。其构成包括纯甲醇贮存腔、甲醇缓冲区和电池工作单元。在纯甲醇贮存腔和甲醇缓冲区之间采用渗透膜来控制甲醇的传递,实现纯甲醇进料,以满足甲醇燃料电池的长效工作能力。     

新型阻醇质子导电聚合物膜——PVA-Nafion共混膜的制备及性能研究

针对直接甲醇燃料电池(DMFC)中普遍使用NafionTM系列全氟磺酸膜而存在的甲醇穿透问题,鉴于质子、水和甲醇在传递中的相互关联,提出将目标膜视为优先透过质子的质子-甲醇分离膜,制备了在渗透蒸发醇-水分离领域有良好分离效果的聚乙烯醇(PVA)与全氟磺酸材料共混形成的PVA-Nafion共混膜并研究了膜的阻醇和质子导电性能。PVA的加入有效调节了膜内的亲、憎水平衡,使膜的阻醇效果较NafionTM商品膜提高,且共混后,膜的阻醇性能并非只是PVA和Nafion材料各自性能的简单加和平均,而是在一定配比(WNafion=60%)下出现了最优值。所制备的共混膜中有几种膜的透过系数P达到了10-8cm2穝-1,而电导率s 达10-4S穋m-1;如果以电导率和甲醇透过系数的比值(s / P)作为综合指标,共混膜的综合性能可较Nafion117商品膜高约2.5倍。     

The influence of electrode morphology on the performance of a DMFC anode

For low concentrations of methanol, mass transfer in the electrode is a limiting parameter for the direct methanol fuel cell (DMFC). To improve mass transfer, it is possible to induce convection in the gas backing layer or even in the porous electrode. In this study electrodes with different amounts of PTFE were compared to observe the influence of morphology on the anode performance. The hypothesis was that adding PTFE to the anode may make the morphology more favourable for carbon dioxide to evolve as a gas by creating the necessary pore sizes. Electrode performance was characterized electrochemically and the anode layer structure was studied using SEM, Hg-porosimetry and the van der Pauw method for measuring electric conductivity. Pores smaller than 0.04 m were unaffected by adding PTFE while the volume fraction of pores of 0.04–1.0 m diameter increased. Electrodes with 50% PTFE also performed as nonhydrophobized, despite the much higher ohmic losses and thickness. This implies that, above a certain amount, adding PTFE has a positive effect and that optimizing the electrode with PTFE may give better performance than electrodes without PTFE. The results suggest that gas evolves within the electrode, giving improved mass transfer in the liquid phase.     

混合澄清槽数值模拟与实验研究进展

稀土是不可再生的重要战略资源,在高新技术材料中具有不可替代的战略作用。混合澄清槽具有操作稳定性好、级效率高、结构简单、易放大等优点,是稀土分离工业中使用最为广泛的萃取设备。本文概述并分析了应用于混合澄清槽模拟的数值模型,结果表明Eulerian-Eulerian多相流模型、k-?湍流模型和多参考系模型因使用简便、精度可靠、对计算机性能要求不高而被当前的研究者们大量采用。此外,针对混合澄清槽抽吸性能、混合特性和澄清特性三大重要性能指标,分别总结了影响各性能的主要参数和调控方法,分析表明在抽吸性能和混合时间方面的研究较为成熟,在液滴聚并破碎数值研究、澄清方式和改进等方面的研究相对薄弱,构建高精度网格、采用更细致分析流场时空发展趋势的大涡模拟和引入种群平衡模型等方法将是下一步深入研究混合澄清槽的重要方向。     

文丘里型气液分布器的实验与数值研究

以一种文丘里型气液分布器为对象,在直径为28 cm的冷模装置中考察了其流体力学性能。气、液流量分别在5~25 m³·h^-1、0.2~0.6 m³·h^-1范围内,使用激光粒度仪测量了液滴Sauter平均粒径（D₃₂）,并测定了其分布均匀性和抗塔板倾斜性能。结果表明：文丘里结构加强了气液混合,与泡罩型分布器相比,此分布器具有更好的液滴破碎性能;气速增大会使出口液体从伞状流变为喷射流,但仍能在直径约为出口直径10倍的区域内均匀分布;在气、液相负荷分别为10~20 m³·h^-1、0.4~0.6 m³·h^-1时,液位在进液口和进气口之间,此时分布器具有优异的抗塔板倾斜性能。采用计算流体力学软件模拟了分布器内部气液流动过程,得到了相含率和速度矢量图,所得结果有利于分布器的分析与改进。     

危险液化气体瞬时泄漏扩散数值模拟研究进展

危险液化气体瞬时泄漏事故是化工工业中重大潜在灾害,急速爆炸会产生急速膨胀的二相蒸气云,因此事故本身既有对化工设备造成的物理爆炸危害,同时也会导致危险介质的扩散。文中概述了化工设备瞬时爆炸事故研究的历程,综述了计算流体力学技术(CFD)在预测液化气体瞬时泄漏事故后果中的应用,指出CFD技术虽然涉及的物理模型非常复杂,计算量较大,但模拟结果可以涵盖流场中包括微观液滴群的大量介质信息,可为节约研究成本和理论发展提供了可靠的研究工具。文中还对事故研究发展和CFD模拟技术应用模式前景提出了展望。     

Effect of agitation and aeration on gas dispersion efficiency in coaxial mixers containing yield-pseudoplastic fluids: Experimental and numerical analysis

Aerated stirred vessels are commonly employed to enhance gas dispersion. However, the associated high energy consumption is a challenging feature, particularly when dealing with complex non-Newtonian fluids. Coaxial mixers comprising a central impeller and a close-clearance impeller have emerged as an energy-efficient alternative that effectively intensifies gas dispersion. Hence, the objective of this study is to investigate the effect of aeration and agitation on the gas dispersion effectiveness of a coaxial mixer containing a yield-pseudoplastic fluid. An anchor-pitched blade turbine was employed to disperse air into a 1 wt.% xanthan gum solution, and the analysis primarily focused on characterizing the gas holdup and fluid flow behaviour. Gas holdup data were obtained experimentally using electrical resistance tomography (ERT), while computational fluid dynamics (CFD) simulations provided a detailed analysis of fluid flow patterns within the coaxial mixer. The rotational speed of the impeller exhibited a non-monotonic effect on the gas holdup, and a significant influence of the interaction between variables was identified. For instance, the experimental data showed that the aeration effect varied with the anchor speed. Nevertheless, the variables' interaction effect was explained by the change in flow pattern observed numerically. Furthermore, the CFD results demonstrated that high gas holdup does not necessarily indicate intensified mixing. Therefore, combining experimental data and numerical simulations enables a more accurate characterization of mixing performance. These findings contribute to the understanding and improvement of mixing performance in such a complex system, which is crucial for designing efficient operations.     

动态旋风分离器数值模拟及实验研究

旋风分离器具有结构简单性能稳定等优点,但对于粒径10μm以下颗粒,分离效率较低。本文对普通旋风分离器进行改进,设计了带有旋转叶片的动态旋风分离装置,并进行了实验和数值模拟研究。数值模拟气相采用RNG k-ε模型与RSM模型相结合的算法,颗粒相与气相之间采用以欧拉-拉格朗日气固两相流耦合思想为基础的DPM模型进行模拟,主要研究了装置内部流场和颗粒分离效率与进口气速和转子转速之间的关系,并与实验中通过静电低压悬浮颗粒取样器（ELPI）获得的装置分离效率进行了对比。模拟和实验结果表明,装置切向速度场中转子部分的切向速度主要由叶片转速决定,转子外部区域的切向速度则主要由进口气速决定,且在一定的转速和进口气速下,动态旋风分离器对粒径在5μm以上的颗粒有良好的脱除效果。     

鼓泡塔气液两相流内部流场的流体力学特性

采用计算流体力学CFD软件对鼓泡塔内部4种表观气速下内部流场的流体力学行为进行模拟。分析了鼓泡塔内部整体气含率及轴截面处（X=0）液相速度随时间的变化情况;并且对比了在不同表观气速下局部气含率和液相速度在不同高度处的径向分布情况。模拟结果表明,随着时间的增大,整体气含率增大速度比较快,到达稳定时间,整体气含率不再增大。在同一高度处局部气含率随着表观气速的增大而增大。H/D<3时,液相循环流动表现为单相循环流;当H/D=3时,表现为双循环流,流型较单相复杂。     

Multiscale modelling of mass transfer in gas jets and bubble plumes

The injection of high‐speed gas streams into liquids is common in many industrial applications, such as sparging in multiphase reactors and contacting in mass transfer devices. Modelling the fluid dynamics and associated heat and mass transfer processes in such a system is complex because it involves many governing scales and drastic changes in physical properties. In this study, one formulation of a multiscale computational fluid dynamics model is proposed to simulate the fluid dynamics and mass transfer in such systems. The model uses volume‐of‐fluid interface capturing in regions where high mesh resolution can be attained and the drift‐flux or mixture model approximation in regions where mesh resolution is too low to directly resolve interface dynamics. The model was developed to provide a tunable, automatic transition between the two modelling approaches for both fluid dynamics and mass transfer predictions. The approach was validated through a comparison with results from two published studies. In the first case, the implementation of the drift‐flux model was validated through the simulation of a dispersed gas bubble plume injected into a cylindrical tank. In the second case, the fluid dynamics and mass transfer predictions were compared to results from an experimental study involving the horizontal injection of air into a rectangular tank filled with water for the application of aeration. The results show that the modelling approach can provide a good prediction of the experimental data using only limited fitting of empirical parameters, making it applicable to a broad range of other applications.