质子交换膜燃料电池传输现象动态特征研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池具有功率密度高、能量转换效率高、低温启动和无污染等优点，所以是目前最有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源，市场前景相当可观。而目前的燃料电池还处于研究阶段，它的一些机理和关键问题还没有解决。本文针对燃料电池内部的传输现象，通过计算流体软件Fluent对电池内部传输的动态特征进行模拟与分析。首先，描述了质子交换膜燃料电池的动态传输数学模型，包括流动、传质与传热、电化学反应和水传递等模型。然后，建立了一个直流道的燃料电池单电池几何模型，运用Fluent软件的PEM模块对其进行模拟分析，分别研究了电流密度和反应气体湿度变化对质子交换膜中水的动态传输的影响。结果表明，质子交换膜中水的动态传输大约需要10s达到平衡；当质子交换膜吸水时，电流密度大约需要10s达到稳定；当质子交换膜失水时，电流密度大约需要40s达到稳定。随后，建立了一个对燃料电池内部传质、传热具有典型特征的蛇形流场单电池几何模型，研究了质子交换膜燃料电池的动态传输特征及各因素的关联作用。结果表明，在反应气体加湿的情况下，阳极氢气的平衡时间为0.5～0.7s，而阴极氧气只需要0.3～0.5s：膜中水的平衡时间较气体的平衡时间则缓慢很多，约为10s：在过量系数大于1、反应气体湿度较高的情况下，电流密度的超调是氧气浓度的下降造成的，而氧气浓度的下降是因为高电流密度下水浓度的升高引起的。过量系数、操作温度、膜厚等参数均影响电流密度的超调。过量系数越大、操作温度越高、膜越厚，电流密度的超调量越小。测试结果中，电流密度的稳定时间是模拟的3倍左右；电流密度的超调量只有模拟的25％左右。计算机模拟的结果与实验测试的结果趋势一致。本文通过研究质子交换膜中水的动态传输、质子交换膜燃料电池的动态传输特征及各因素的关联作用和电流／电压瞬态过程实验测试来研究质子交换膜燃料电池的动态传输特征，文章对于燃料电池系统的设计和控制具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 燃料电池
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池国内外研究现状
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池电堆与系统动态特性的研究
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池单电池内部动态特性的研究
• 1.3 本文工作
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池动态传输数学模型
• 1.3.2 质子交换膜中水的动态传输
• 1.3.3 质子交换膜燃料电池的动态传输特征及各因素的关联作用
• 1.3.4 质子交换膜燃料电池电流/电压瞬态过程实验测试
• 第2章 质子交换膜燃料电池动态传输数学模型
• 2.1 动态传输基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 组份守恒方程
• 2.1.5 电流守恒方程
• 2.2 膜中水的动态传输模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 质子交换膜中水的动态传输
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 几何模型
• 3.1.2 边界条件和物性参数
• 3.1.3 模型假设
• 3.2 结果及分析
• 3.2.1 电流密度对膜中水动态传输的影响
• 3.2.2 反应气体湿度变化对膜中水动态传输的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 质子交换膜燃料电池的动态传输特征及各因素的关联作用
• 4.1 计算模型
• 4.1.1 几何模型
• 4.1.2 边界条件和物性参数
• 4.1.3 模型假设
• 4.2 结果及分析
• 4.2.1 启动过程
• 4.2.2 过量系数的影响
• 4.2.3 操作温度的影响
• 4.2.4 膜厚的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 质子交换膜燃料电池电流/电压瞬态过程实验测试
• 5.1 实验测试
• 5.1.1 测试装置
• 5.1.2 测试方法
• 5.2 结果及分析
• 5.2.1 空气过量系数的影响
• 5.2.2 氢气过量系数的影响
• 5.2.3 操作温度的影响
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目
• Ⅰ.发表的论文
• Ⅱ.参加的科研项目