无增湿质子交换膜燃料电池水传输研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)动力系统高效、清洁、环境友好,成为内燃机最有力的竞争者,被认为是最有潜力的动力装置之一。质子交换膜燃料电池的水管理是现在研究的热点,增湿技术更是其中的关键技术,优化电池内部水的运动可以降低电池对增湿的要求,达到无增湿的目的。本文围绕拟采取的无增湿技术,采用数学建模的方法对质子交换膜燃料电池内部水传输和分布进行仿真分析,设计适用于无增湿质子交换膜燃料电池的保水层,并研究其保水性能。首先,结合电池工作中的传质和电化学反应特点建立了PEMFC沿流道方向的两相二维稳态模型。模型综合考虑了电池中的动量守恒、质量守恒和电荷守恒,以及催化层中的电化学反应和扩散层中水的相变。通过比较模型计算结果与试验结果验证模型。采用所建模型研究了操作条件(电流密度和进气相对湿度)对电池内部水传输和分布的影响。计算分析表明：(1)随着电流密度的增加,膜中水的扩散作用和电渗作用都加强,电渗作用较扩散作用增强得快,使水从阳极向阴极的净迁移增强。膜的阴极侧含水量逐渐增大,阳极侧逐渐减小。阴极侧扩散层的液态水饱和度逐渐增大,液态水增多,而阳极液态水逐渐减少,并且在大电流密度下几乎没有液态水存在。(2)保持阴极进气饱和加湿,降低阳极进气的湿度使电池性能下降,特别是在欧姆极化阶段。保持阳极进气饱和加湿,适当的降低阴极进气湿度(RH=75%)可以提高电池工作的性能。为了保证质子交换膜燃料电池在较好的工况下运行,对电池进气进行增湿是非常有必要的。其次,采用所建模型研究了扩散层的特性参数(孔隙率、厚度、平均孔径和亲水性)对电池性能和保水性能的影响,结果表明：(1)在两极进气均饱和增湿的条件下,扩散层的孔隙率越大,厚度越薄,平均孔径越小,疏水性越强,电池的性能越好,特别在高的电流密度下。微孔层起到排水作用,有利于提高电池性能。(2)在低增湿条件下,扩散层孔隙率越小,厚度越大,平均孔径越小,亲水性越强,对增强电池的保水性能越好。最后,在上述研究的基础上,为了在电池内保持住反应生成的水使膜湿润,实现PEMFC的无增湿操作,提出在阴极的微孔层和扩散层之间增加保水层,并采用正交试验的设计思想和模拟研究方法,确定了保水层的优化设计方案。通过模型计算,分析比较带有保水层的电池内水传输和分布情况。研究结果表明：(1)在孔隙率为0.4、厚度为100μm、平均孔径为10μm、亲水孔所占比率为60%时,带有保水层的电池在低增湿条件下性能最佳；(2)保水层能保持住电化学反应产生的水,这对低增湿条件下电解质膜的湿润起到了至关重要的作用；(3)在阴极进气低增湿条件下,加入保水层有利于提高电池的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PEMFC工作原理及特点
• 1.3 PEMFC内水传输研究进展
• 1.3.1 PEMFC内水传输机理
• 1.3.2 PEMFC内水传输试验研究
• 1.3.3 PEMFC内水传输模拟研究
• 1.4 PEMFC无增湿研究进展
• 1.4.1 PEMFC增湿的必要性
• 1.4.2 无增湿技术
• 1.5 论文工作
• 第2章 模型的建立
• 2.1 模型描述
• 2.2 基本控制方程
• 2.2.1 动量守恒方程
• 2.2.2 质量守恒方程
• 2.2.3 电荷守恒方程
• 2.3 催化层电化学模型
• 2.4 膜中水传输方程
• 2.5 水相变模型
• 2.6 边界条件
• 2.6.1 动量守恒方程边界条件
• 2.6.2 阳极对流与扩散方程边界条件
• 2.6.3 阴极Maxwell-Stefan对流扩散方程
• 2.6.4 电荷守恒方程边界条件
• 2.6.5 膜中水传输方程边界条件
• 2.7 模型的求解
• 2.7.1 模型的计算方法
• 2.7.2 基准供气状态和模型参数
• 2.8 模型验证
• 2.9 本章小结
• 第3章 操作条件对PEMFC水传输的影响
• 3.1 电流密度对PEMFC的影响
• 3.1.1 电流密度对PEMFC水传输的影响
• 3.1.2 电流密度对膜中水分布的影响
• 3.1.3 电流密度对扩散层内液态水分布的影响
• 3.2 进气湿度对PEMFC的影响
• 3.2.1 阴极进气相对湿度对PEMFC水传输的影响
• 3.2.2 阴极进气相对湿度对PEMFC膜中水分布的影响
• 3.2.3 阴极进气相对湿度对PEMFC扩散层中水蒸气分布的影响
• 3.2.4 阳极进气相对湿度对PEMFC水传输的影响
• 3.2.5 阳极进气相对湿度对PEMFC膜中水分布的影响
• 3.2.6 阳极进气相对湿度对PEMFC扩散层中水蒸气分布的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 扩散层特性对PEMFC保水性能的影响
• 4.1 扩散层孔隙率对PEMFC的影响
• 4.1.1 孔隙率对PEMFC工作性能的影响
• 4.1.2 孔隙率对PEMFC保水性能的影响
• 4.2 扩散层厚度对PEMFC的影响
• 4.2.1 扩散层厚度对PEMFC性能的影响
• 4.2.2 扩散层厚度对PEMFC保水性能的影响
• 4.3 扩散层平均孔径对PEMFC的影响
• 4.3.1 扩散层平均孔径对PEMFC性能的影响
• 4.3.2 扩散层平均孔径对PEMFC保水性的影响
• 4.4 亲水性对PEMFC的影响
• 4.4.1 亲水性对PEMFC性能的影响
• 4.4.2 亲水性对PEMFC保水性能的影响
• 4.5 微孔层对PEMFC的影响
• 4.5.1 MPL对PEMFC性能的影响
• 4.5.2 MPL对PEMFC内液态水分布的影响
• 4.5.3 MPL对PEMFC保水性的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 无增湿PEMFC保水层设计研究
• 5.1 无增湿PEMFC保水层的设计
• 5.1.1 正交试验设计思想
• 5.1.2 保水层的优化设计
• 5.2 保水层对PEMFC的影响
• 5.2.1 保水层对PEMFC性能的影响
• 5.2.2 保水层对PEMFC膜中含水量的影响
• 5.2.3 保水层对膜中水传输的影响
• 5.2.4 保水层对扩散层中水蒸气的分布的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目