质子交换膜燃料电池平行流场水管理研究

论文摘要

水管理问题是全氟烷基磺酸(PFSA)系列膜的质子交换膜燃料电池正常运行一种极其重要的问题,全氟烷基磺酸(PFSA)系列膜要得到有效的质子传导率就需要含有较高的水含量。因此在运行电池时要对电池通入加湿的反应气体来对质子膜进行加湿。与此同时,电池阴极端氧气的还原反应会产生大量的液态水,这些液态水会堵塞氧气的传质扩散通道并且覆盖气体扩散层表面,产生了流场的压差不均匀和流动不均性导致整个流场运行不稳定影响电池性能的输出,所以有必要对燃料电池的流场的水管理进行研究。平行流场在燃料电池实用化中有着广泛的应用,但其较小的压降和较多分支流道使整个流场中的反应气体流动很不均匀,产生了较差的流动特性,这种较差的流动特性使流场中的反应气体的传质和膜电极中的电化学反应不能够得到充分进而严重影响电池的输出功率,所以需要对平行流场的几何结构进行优化来得到较好的流动特性。本文将以传统的平行流场为研究对象,采用基于动量和质量守恒方程的解析法对平行流场的结构尺寸进行优化,然后根据优化后的流场进行CFD数值分析和实验研究,本文主要成果如下:1.本文通过解析法数值研究得出进出口分支流道的深度减小和宽度变小,会使分支流道压降变大,同时出口分支流道的流通横截面积与分支流道的横截面积之比越大,会使整个流场的压降变小,流动均匀性和质量流道分布越均匀。并且通过解析法优化后的流场用CFD数值模拟研究得出这种基于动量和质量守恒方程的解析法对平行流场的结构尺寸进行优化是有效的,并且电池性能也有所提高。2.流道中的液态水的流动特性与外部操作条件有着密切的关系,流道中反应气体流速越大越利于流道中的液态水的排除,反之当流道中流速越小不但不利于流道排水还会堵塞流道进而影响流道的传质反应过程和性能输出。同时而亲水性流道和疏水性的扩散层有利于排水。3.反应气体流量,反应气体的操作压力以反应气体的加湿温度在一定条件下的增加对电池性能的提高是有促进作用的。在加湿条件下反应气体从电池的顶部通入时对电池的放电性能有提高作用。而在电池不加湿情况下,反应气体从电池的底部通入时对电池的有一定的加湿作用,同时电池的放电性能也有一定程度的提高。燃料电池在加湿条件下的性能比不加湿情况下要好。4.通过实验研究发现电池流道中液态水覆盖电池流道反应气体扩散层时会使电池的性能会下降的很快。一定量的反应气体流量对液态水的排水是有利的,同时也促进了燃料电池的性能的提高。实验中还发现当电池温度在60℃,阴极侧的空气流量为600ml/min,阳极侧氢气流量为800ml/min时电池的排水效果最好,电池的性能也达到最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.3 流场水管理的研究进展
• 1.3.1 水管理的概述
• 1.3.2 水管理的方法和影响
• 1.3.3 流场水管理的国内外现状
• 1.4 流场中水的概述
• 1.4.1 流场中水的状态
• 1.4.2 流场中水的传输
• 1.5 流场可视化研究
• 1.6 本文的工作
• 第2章 PEMFC流场反应气体流动特性研究
• 2.1 流道数值分析方法
• 2.2 数值模型基本假设
• 2.3 控制方程
• 2.3.1 Hagen-Poiseuille流动方程
• 2.3.2 入口流道平衡方程
• 2.3.3 出口分配流道平衡方程
• 2.4 方程求解
• 2.5 流场特性分析
• 2.5.1 流道几何尺寸与压降之间的关系
• 2.5.2 流道几何尺寸与流道的相对质量流量的关系
• 2.5.3 入口质量流量对流动特性的影响
• 2.6 流场尺寸优化分析
• 2.6.0 数值优化过程
• 2.6.1 数值优化目标函数
• 2.6.2 数值优化变量和约束
• 2.6.3 分析结果和讨论
• 2.6.4 CFD验证
• 2.7 小结
• 第3章 PEMFC流道液态水流动特性数值研究
• 3.1 流道两相数值理论
• 3.2 流道水的传输研究
• 3.2.1 计算几何模型
• 3.2.2 模型假设
• 3.2.3 边界条件和流动特性系数
• 3.2.4 数值计算过程
• 3.2.5 流道液态水的流动特性
• 3.2.6 流道液态水对压降的影响
• 3.2.7 流道液态水的流动对电流密度的影响
• 3.3 小结
• 第4章 电池性能实验研究
• 4.1 燃料电池可视化测试实验平台
• 4.1.1 氢气和空气的供应和排气系统
• 4.1.2 可视化氢氧燃料电池组件
• 4.1.3 可视化氢氧燃料电池组装
• 4.1.4 电池密封设计
• 4.2 膜电极的活化
• 4.2.1 膜电极活化过程
• 4.2.2 电压100mv活化过程
• 4.2.3 电压200mv活化过程
• 4.2.4 电压300mv活化过程
• 4.2.6 膜电极活化效果验证
• 4.3 操作条件对电池性能的影响
• 4.3.1 阴极反应气体加湿温度对电池性能影响
• 4.3.2 阴极反应气体操作压力对电池性能影响
• 4.4 反应气流配置对电池性能影响
• 4.4.1 电池反应气体流向配置
• 4.4.2 电池反应气体流向配置对电池放电性能的影响
• 4.4.2.1 UP/UP逆流配置
• 4.4.2.2 UP/DOWN共流配置
• 4.4.2.3 DOWN/DOWN逆流配置
• 4.4.2.4 DOWN/UP共流配置
• 4.4.3 加湿与不加湿状态下电池的输出性能
• 4.5 流道液态水对电池性能输出影响
• 4.5.1 不同空气流量在恒电流条件下电池性能输出
• 4.5.2 不同空气流量在恒电压条件下电池性能输出
• 4.6 流道内液态水排水研究
• 4.6.1 温度对液态水排水的影响
• 4.6.2 反应气体流量对液态水排水的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参与的项目与科研成果