质子交换膜燃料电池水传递现象研究

论文摘要

本论文证明对于较薄的Nafion?112膜,无论阳极是否增湿,电池的净水传输系数均为负。采用Nafion?112膜的电池在阳极不增湿操作时电池输出性能以及电池电阻的变化与阳极增湿状态下表现相当,说明薄膜电池可以实现阳极的不增湿操作。此结论已经在实际电池组及燃料电池发动机系统中得到成功应用。此时电池的输出性能对阴极进气相对湿度的变化更为敏感。阴极相对湿度的设置应该考虑到阴极排出水量与尾气中以水蒸气形式排出水量之间的比值,该比值应该在1.5～1.8之间,对于我组目前自制的MEA,阴极的相对湿度设置值在0.75左右电池可以获得最佳性能。其次,本论文结合聚合物膜在水中的膨胀理论,提出了液态水在质子交换膜内的传递系数表达式,利用改进的扩散模型对液态水在质子交换膜内的传递过程进行了数学描述。计算结果表明操作温度和气体一侧的流率对膜内的水含量有很大的影响。同时计算结果证明Nafion?112膜在电池的实际操作过程中,液态水在膜内的扩散过程可以使膜内水含量达到较均匀的分布实现膜的充分润湿,而不需要额外的阳极增湿。最后,利用模型研究了质子交换膜燃料电池微通道内的气液两相流。研究结果表明如果流道壁面的憎水性强于MEA表面的憎水性,则不利于液态水向流道壁面的分散,会增大气体向扩散层内传递的阻力。如果流道壁面的接触角小于MEA表面的接触角或者与MEA表面接触角相当,则有利于水膜的分散和维持电池的长期运行。此结论对电池流场板的加工工艺过程具有指导意义,并已经应用到实际的电池组和燃料电池系统的操作当中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 质子交换膜燃料电池简介
• 1.1.1 PEMFC 工作原理及主要结构
• 1.1.2 PEMFC 技术进展及研究现状
• 1.2 PEMFC 内水传递现象研究意义
• 1.3 PEMFC 内水传递现象研究进展
• 1.3.1 水传递现象的实验研究
• 1.3.1.1 中子成像方法
• 1.3.1.2 核磁共振方法
• 1.3.1.3 可视化燃料电池方法
• 1.3.1.4 水平衡实验方法
• 1.3.1.5 气相色谱方法
• 1.3.2 PEMFC 水传递现象的模型研究
• 1.3.2.1 固体电介质膜内的水传递和分布模型
• 1.3.2.2 CFD 全电池模型
• 1.3.2.3 气－液两相流模型
• 1.4 文献小结
• 1.5 论文研究设想
• 参考文献
• 第二章 质子交换膜燃料电池水传递影响因素
• 2.1 水平衡实验原理
• 2.2 质子交换膜燃料电池水平衡实验测试
• 2.2.1 实验用MEA 的制备
• 2.2.2 水平衡实验测试平台
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 增湿器相对湿度校正实验
• 2.3.2 操作温度对电池内水传递过程及电池输出性能的影响
• 2.3.3 阴极相对湿度对电池内水传递过程及电池输出性能的影响
• 2.3.4 阴极过量系数对电池内水传递过程及电池输出性能的影响
• 2.3.5 不同厚度的膜内水传递过程比较
• 2.4 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 第三章 质子交换膜燃料电池阳极不增湿操作可行性分析
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 PEMFC 电阻测量
• 3.1.2 PEMFC 水平衡实验
• 3.2 主要讨论参数及定义
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同操作条件下的电池内阻变化
• 3.3.2 薄膜内的水传递和平衡过程
• 3.3.2.1 电流密度对电池内水传递及平衡的影响
• 3.3.2.2 阴极相对湿度对电池内水传递及平衡的影响
• 3.4 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 第四章 水在质子交换膜内的传递机理及数学模型
• 4.1 水在质子交换膜中传递过程的物理模型描述
• 4.1.1 质子交换膜的水合作用
• 4.1.2 聚合物在液体中的膨胀理论
• 4.1.3 质子交换膜内的传递现象
• 4.1.3.1 水蒸气水合作用下的聚合物膜内的传递现象
• 4.1.3.2 液态水合作用下的聚合物膜内的传递现象
• 4.2 水在质子交换膜内传递的数学模型
• 4.2.1 实验
• 4.2.2 模型假设
• 4.2.3 水在膜内的扩散模型
• 4.2.4 水在流道内的运动
• 4.2.5 Fick 扩散系数表达式
• 4.2.6 参数的确定
• 4.2.7 液态水在质子交换膜内的传递和分布
• 4.2.7.1 传递通量的变化
• 4.2.7.2 膜内水含量分布
• 4.3 结论
• 参考文献
• 第五章 质子交换膜燃料电池微通道内的气液两相流动
• 5.1 流道表面的亲水性、憎水性对流道内气液两相流的影响
• 5.1.1 建模区域
• 5.1.2 建模理论
• 5.1.3 边界条件
• 5.1.4 网格设置
• 5.1.5 算例设置
• 5.1.6 结果与讨论
• 5.1.6.1 单液滴在亲水性或憎水性表面的运动
• 5.1.6.2 液膜在亲水性或憎水性表面的运动
• 5.1.6.3 液膜在表面性质不均匀的表面的运动
• 5.1.6.4 不同匹配条件下流道内的液相和气相分布
• 5.2 三通道直条型流场内的气、液两相流
• 5.2.1 建模区域及网格划分
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 结论
• 参考文献
• 第六章 结论
• 进一步工作设想
• 作者简介及发表文章目录
• 致谢