PEMFC带增湿槽道集流板的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）由全氟磺酸膜型固体聚合物为电解质,高担量Pt为电催化剂,以及多孔结构的扩散层构成。质子交换膜燃料电池在运行过程中膜必须处在润湿状态下才能导电,因此需要给电池提供增湿。本文设计一种阴极面带增湿槽道的流场来实现增湿,增湿槽道中的水先到达扩散层,再经过扩散层到催化层给膜增湿。通过单电池试验数据和CFD（Computer Fluid Dynamics）软件Fluent 6. 0数学模拟相结合,分析了电池的操作条件和流场的形状对电池性能的影响,并利用Fluent软件的燃料电池模块对阴极面为带增湿槽道流场的增湿机理进行了研究,在研究的同时发现:（1） 采用的PEMFC的活性面积为25cm2。阳极流场和阴极流场均为单蛇形流场。氢气和空气的操作压力为常压,工作温度在40℃～70℃之间;氢气流量为300sccm,空气流量范围为500sccm～2000sccm条件下。饱和增湿条件下升高工作温度可以降低膜的内阻和提高电池性能。增湿不够条件下,温度升高反而使的膜的内阻上升,不会增加电池性能。在采用空气为氧化剂时,电池性能随着空气流量增大而上升,空气剂量比系数不能小于3。改善阴极或者阳极增湿条件能提高电池性能,不过改变阳极增湿条件比阴极增湿条件影响要大。（2） 阳极为单蛇形流场,阴极流场为点状、多蛇形和单蛇形流场。活性面积为25cm2,电池运行温度为60℃,H2的进气量为300sccm,Air的进气量为1500sccm,阳极和阴极都是饱和增湿,电流密度为600mA/cm2时,催化层与扩散层交界面处,点状、多蛇形和单蛇形流场的最小O2浓度依次增加约为1. 5%;最大。H2O浓度依次降低约为1. 5%;扩散层中间处,点状流场气体速度1. 38×10-2m/s,多蛇形流场气体速度3. 71×10-2m/s,单蛇形流场气体速度3. 57×10-1m/s,气体的速度依次增加;单电池的测试结果为单蛇形流场电压0. 675V,多蛇形流场电压0. 651V,点状电压为0. 616V。点状、多蛇形和单蛇形流场的电压依次增加约为5%。（3） 电池的阳极为多蛇形流场,阴极使用带有增湿槽道的流场,其中阴极流场大的槽道进干燥空气、小的槽道进液态水增湿能维持电池稳定运行。在电流密度为600mA/cm2条件下,100分钟内电压在0. 50V～0. 55V和电阻在0. 060ohom-cm2～0. 065ohom-cm2波动。计算模拟得到阴极催化层中的水浓度分布,增湿槽道对应部分的水浓度在0. 85以上,其余部分的水浓度在0. 155左右。增湿槽道能够为阴极面提供足够的增湿效果。但是从阴极催化层中的氧气浓度和膜中电流密度分布得到,阴极催化层整个区域氧气主要分布在气体流道对应的范围内,增湿槽道和脊对应的催化层部分氧气浓度基本为零,同样增湿槽道和脊对应的膜中电流密度基本为零,电池损失近一半面积。阴极采用带增湿槽道的流场在实现增湿效果的同时牺牲了电池有效面积,降低了整个电池运行效率。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 质子交换膜燃料电池
• 1.1.1 质子交换膜燃料电池的结构和原理
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池系统简介
• 1.2 质子交换膜燃料电池中各个主要组件
• 1.2.1 质子交换膜
• 1.2.2 催化层
• 1.2.3 扩散层
• 1.2.4 双极板
• 1.3 质子交换膜燃料电池增湿技术进展
• 1.3.1 外增湿技术
• 1.3.2 内增湿技术
• 1.3.3 自增湿技术
• 1.3.4 流场技术
• 1.4 本文工作
• 1.4.1 质子交换膜中水分布和水含量理论分析
• 1.4.2 温度、压力和增湿条件对电池性能影响
• 1.4.3 不同形状的流场对气体和水分布影响
• 1.4.4 带增湿槽道阴极面的流场分析
• 第二章 质子交换膜中水分布和水含量理论分析
• 2.1 质子交换膜燃料膜中水传递模型
• 2.1.1 电迁移
• 2.2.2 浓差扩散
• 2.2.3 压差迁移
• 2.2 单电池内部水的变化量计算
• 2.3 质子交换膜燃料膜中的水分布
• 2.3.1 水净迁移量为零的膜中的水分布
• 2.3.2 水净迁移量为大于零的膜中的水分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 温度、流量和增湿条件对电池性能影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 实验条件
• 3.2 实验结果和讨论
• 3.2.1 电池工作温度对电池性能的影响
• 3.2.2 空气流量对电池性能的影响
• 3.2.3 气体增湿对电池性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 不同形状的流场对气体和水分布影响
• 4.1 模型假设
• 4.2 计算区域
• 4.3 模型方程
• 4.3.1 流道
• 4.3.2 扩散层
• 4.3.3 催化层
• 4.4 边界条件和常数
• 4.5 计算结果
• 4.5.1 三种流场催化层与扩散层交界面氧气浓度分布云图
• 4.5.2 三种流场催化层与扩散层交界面水浓度分布云图
• 4.5.3 三种流场扩散层中间面气体速度分布云图
• 4.6 实验分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 带增湿槽道阴极面的流场分析
• 5.1 阴极面的流场几何参数
• 5.2 阴极增湿机理
• 5.3 实验部分
• 5.4 计算分析
• 5.4.1 模型假设
• 5.4.2 计算区域
• 5.4.3 模型方程
• 5.4.4 边界条件
• 5.5 模拟结果
• 5.5.1 方案三膜的阳极侧，中间和阴极侧的水含量分布图
• 5.5.2 方案三阴极催化层和膜的界面水浓度分布图
• 5.5.3 方案三阴极催化层和膜的界面氧气浓度和膜中电流密度分布图
• 5.5.4 方案四膜的阳极侧，中间和阴极侧的水含量分布图
• 5.5.5 方案四阴极催化层和膜的界面水浓度分布图
• 5.5.6 方案四阴极催化层和膜的界面氧气浓度和膜中电流密度分布图
• 5.6 本章小节
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文