PEMFC流场与电池性能的模拟研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）以其高效率、高能量密度、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。流场板是PEMFC的重要部件,极大地影响电池的性能、运行效率和制造成本。流场板的流道结构基本组成要素为流道的长、宽、高和脊宽以及流道形式,本研究建立了不同的数学模型以深入研究电池内部的传递过程以及诸要素因素对电池性能和效率的影响。首先,利用Monte-Carlo法建立了3维格点模型,细致地描述了PEMFC催化层复杂的多孔结构,此模型可以用来分析催化层各组分Pt/C、质子导体以及气孔对催化剂利用率的影响。另外,利用随机行走的方法研究了气体在催化层中的扩散行为,为深入理解电池反应和及提高PEMFC整体模型准确性提供了新方法和结构参数。其次,建立了流道和脊横截面的2维两相流数学模型（Cross-the-channel Model）。模型描述了主要的传递和反应过程,包括阴、阳两极反应气的质量传递、动量传递、电子和质子的传递以及电化学反应等过程。此外模型还细致的描述了水（液态和气态）在扩散层、催化层以及质子交换膜中的传递过程,详细地考察了流道和脊的宽度对电池性能的影响。研究发现水的传递对电池性能影响很大。模拟结果显示,在膜电极面积一定的情况下,对于低增湿PEMFC而言,应当采用较薄的质子交换膜,较宽的脊以增强保湿性能。而对于高增湿PEMFC而言,应当采用较窄的脊以提高反应气的传质性能。第三,建立了改进的沿流道模型（Along-the-channel Model）,并结合以流道横截面模型建立了准3维阴极流道模型。考察了各物理量沿流道长度方向的分布情况及其对电池性能的影响。模拟结果显示,对于高增湿PEMFC而言,氧气浓度、电流密度以及流速均沿流道长度方向逐渐降低。而对于低增湿PEMFC,氧气流速会逐渐升高,电流密度呈先升高后降低的趋势。通过对模拟结果的分析,提出了针对高增湿PEMFC的深度渐变流道设计,以增强阴极排水能力。针对低增湿PEMFC,则提出了脊宽度渐变的流道设计,以增强上游流道的保湿能力,同时提高反应气在下游流道的传质性能。第四,利用计算流体力学（CFD）工具首次建立了PEMFC完整流场的高效模拟方法,并对5种常见形式的完整流场进行了模拟计算,考察了其中流速以及电流密度等物理量的分布情况。模拟结果显示,流道形式对电流密度分布影响很大。适当拉近上游和下游流道之间的距离可以促进电流密度的均匀分布。所建方法可以用来以电流密度分布和电池性能评价流场,对流场形式的设计有指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 燃料电池概述
• 1.1 燃料电池技术
• 1.2 燃料电池的分类
• 1.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.3.1 PEMFC的发展简史
• 1.3.2 PEMFC的工作原理
• 1.3.3 PEMFC的基本组件
• 1.3.3.1 电催化剂
• 1.3.3.2 电极
• 1.3.3.3 质子交换膜
• 1.3.3.4 双极板
• 1.3.4 PEMFC的水管理
• 1.3.5 PEMFC的热管理
• 第二章 文献综述
• 2.1 PEMFC流道设计
• 2.1.1 流道形式的设计
• 2.1.1.1 蛇形流道
• 2.1.1.2 平行流道
• 2.1.1.3 多路蛇形流道
• 2.1.1.4 螺旋流道
• 2.1.1.5 网格流场
• 2.1.1.6 多孔介质流场
• 2.1.1.7 交指流道
• 2.1.1.8 其它形式的流道设计
• 2.1.2 流道尺寸的设计
• 2.1.3 流动方式的设计
• 2.1.4 结论
• 2.2 PEMFC数学模型
• 2.2.1 经验模型
• 2.2.1.1 膜性能模型
• 2.2.1.2 电池性能模型
• 2.2.2 机理模型
• 2.2.2.1 膜性能模型
• 2.2.2.2 催化层模型
• 2.2.2.3 扩散层模型
• 2.2.2.4 流场模型
• 2.2.2.5 电池整体模型
• 2.2.3 计算方法和实验验证
• 2.2.4 结论
• 2.3 利用数学模型指导流道设计
• 2.4 本文的工作
• 2.4.1 本文的研究目标
• 2.4.2 本文的工作
• 第三章 PEMFC催化层结构模型
• 3.1 PEMFC催化层结构
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 催化层电极反应动力学
• 3.2.2 催化层结构模型
• 3.2.3 催化剂利用率的计算
• 3.2.4 催化层有效扩散系数的计算
• 3.3 模拟结果与讨论
• 3.3.1 催化剂利用率的影响因素
• 3.3.2 有效扩散系数的影响因素
• 3.4 结论
• 第四章 PEMFC二维两相流数学模型
• 4.1 前言
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 模型的计算区域
• 4.2.2 模型的描述及假设
• 4.2.3 模型控制方程的建立
• 4.2.3.1 扩散层
• 4.2.3.2 催化层
• 4.2.3.3 质子交换膜
• 4.2.3.4 流场板
• 4.2.4 模型的边界条件
• 4.2.4.1 阳极过程
• 4.2.4.2 阴极过程
• 4.2.4.3 膜过程
• 4.3 模型的求解
• 4.3.1 模型的计算方法
• 4.3.2 参数选择
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 各物理量分布
• 4.4.1.1 阴极扩散层氧气浓度分布
• 4.4.1.2 阴极扩散层液体水饱和度分布
• 4.4.1.3 电流密度分布
• 4.4.2 各操作与结构参数对电池性能的影响
• 4.4.2.1 阴极增湿的影响
• 4.4.2.2 阴极扩散层性质的影响
• 4.4.2.3 阴极流道和脊尺寸的影响
• 4.4.2.4 接触电阻的影响
• 4.4.2.5 膜厚的影响
• 4.4.2.6 阳极增湿的影响
• 4.5 结论
• 第五章 PEMFC阴极流道模型的研究
• 5.1 前言
• 5.2 理论分析
• 5.2.1 沿流道数学模型
• 5.2.2 模型的计算方法
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.2.3.1 设计化学计量比的影响
• 5.2.3.2 相对湿度的影响
• 5.2.3.3 流道深度的影响
• 5.3 PEMFC阴极准三维流道模型
• 5.3.1 模型的研究区域
• 5.3.2 模型的描述与假设
• 5.3.3 模型的求解
• 5.3.4 结果与讨论
• 5.3.4.1 设计化学计量比的影响
• 5.3.4.2 脊宽度的影响
• 5.4 结论
• 第六章 PEMFC流道形式的研究
• 6.1 数学模型的建立
• 6.2 数学模型的求解
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 流道形式对电流密度分布的影响
• 6.3.2 流道形式对气体流速分布的影响
• 6.4 结论
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录 1 BUTLER VOLMER方程的推导过程
• 附录 2 催化层三维格点模型生成程序
• 附录 3 催化剂利用率计算程序
• 附录 4 气体在催化层中有效扩散系数计算程序
• 附录 5 阴极流道模型计算程序
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢