PEM燃料电池的传输模拟与结构优化

论文摘要

质子交换膜燃料电池是一个多物理场、多相、多尺度的动态复杂系统。工作中,反应气体从流道到反应区经历了电堆(米级)、流道(毫米级)、扩散层(微米级)和催化层及膜(纳米级)的多尺度变化,而目前的研究并没有充分揭示质子交换膜燃料电池中的传递现象及其机理。通过对燃料电池进行计算机模拟,能最大限度的揭示燃料电池内部的工作机理及工作状态,进而对燃料电池结构进行优化设计,以降低实验成本,提高电池性能。本文研究了流道结构对电池性能的影响。考虑电池的综合性能,流道尺寸存在一个最优值,在本设计中深度为0.5mm时最好;电池运行时低电流密度下,流道宽与岸宽比越小,电池性能越好,高电流密度时情况正好相反;流道宽度与岸宽之比为1:1时,电池的综合性能最好。在综合考虑电池性能和结构强度时,半圆形的截面流道最好;随着壁面接触角增大(疏水性的增强),排水时间减小,但在壁面接触角到达90°后,减小的幅度减小。对PEM燃料电池扩散层的孔隙率变化、亲疏水性以及厚度进行了深入研究。结果表明:对于均一孔隙率结构的扩散层,增加孔隙率和接触角,减少厚度时,有利于扩散层内的排水和导气;孔隙率梯度变化的扩散层更有利于液态水的排出;平面内孔隙率间隔分布的扩散层有利于气、水的传输,能提高电池的性能。研究了PEM燃料电池膜中水传递的主要影响因素。结果表明:提高运行温度,减小质子交换膜厚度,加大阴极侧空气的过量系数,增大阴阳极气体的相对湿度、操作压力和电流密度,膜中的水含量都会增加,有助于提高电池性能。分析了影响电堆气体分配均匀性的主要因素。结果表明:减小进气的速度,增加进气的压力,可以提高电堆气体分配的均匀性。但同时小的进气的速度会带来水管理的问题,大的进气压力会增加电池的寄生功率;电堆阴极单进口进气时,U形进气方案要优于Z形进气方案;电堆阴极双入口进气时采用两端双入口进气最佳;增大电堆总管截面积或采用变截面总管可以有效的提高电堆中各单电池气体分配的均匀性;回收反应中的汽化水产生的废热能提高电堆的性能。综上所述,本文从多尺度角度,通过对电池中水气的传输以及堆中反应气的分配模拟,对PEMFC进行了从微观到介观,再到宏观的系统分析,从而得出有意义的成果,以加强对电池原理的深入研究,从而促进燃料电池性能的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.1.1 燃料电池简介
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池结构
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 燃料电池流场研究
• 1.2.2 扩散层结构研究
• 1.2.3 膜中水传输研究
• 1.2.4 燃料电池电堆
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 PEM燃料电池的传输模型
• 2.1 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
• 2.2 多孔介质中的流动与传质模型
• 2.3 燃料电池催化层中的电化学反应模型
• 2.3.1 Butler-Volmer方程
• 2.3.2 电流守恒方程
• 2.3.3 开路电压控制方程
• 2.3.4 反应物消耗和水生成
• 2.4 水传输和相变模型
• 2.4.1 膜中水传输模型
• 2.4.2 水的相变模型
• 2.4.3 流道中两相流的VOF模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 流道的模拟与优化
• 3.1 流道尺寸优化
• 3.1.1 流道深度对电池性能的影响
• 3.1.2 流道与岸的宽度之比对电池性能的影响
• 3.2 流道截面形状对电池性能的影响
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 计算结果及分析
• 3.3 流道中的水传输
• 3.3.1 计算模型
• 3.3.2 结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 气体扩散层的模拟与优化
• 4.1 普通气体扩散层
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 孔隙率变化对扩散层性能的影响
• 4.1.3 疏水性对扩散层性能的影响
• 4.1.4 厚度变化对扩散层性能的影响
• 4.1.5 结果分析
• 4.2 孔隙率梯度分布的气体扩散层的模拟与优化
• 4.2.1 扩散层数学模型
• 4.2.2 几何模型
• 4.2.3 计算条件
• 4.2.4 数据分析
• 4.3 孔隙率间隔的气体扩散层
• 4.3.1 模型
• 4.3.2 结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 质子交换膜中水传输模拟
• 5.1 计算模型及边界条件
• 5.1.1 数学模型
• 5.1.2 计算区域、边界条件与主要参数
• 5.2 温度及压力对膜中水传输的影响
• 5.2.1 温度对膜中水传输的影响
• 5.2.2 操作压力对膜中水传输的影响
• 5.3 相对湿度及过量系数对膜中水传输的影响
• 5.3.1 相对湿度对膜中水传输的影响
• 5.3.2 过量系数对膜中水传输的影响
• 5.4 电流密度及膜厚对膜中水传输的影响
• 5.4.1 电流密度对膜中水传输的影响
• 5.4.2 膜厚对膜中水传输的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 电池堆及系统的模拟与优化
• 6.1 电堆的等效阻力模型及模拟
• 6.1.1 等效阻力模型
• 6.1.2 电堆的模拟
• 6.2 电池堆进气方式的优选
• 6.2.1 电池堆进气方式
• 6.2.2 结果及讨论
• 6.3 进气总管的模拟与优化
• 6.3.1 不同截面积的总管对电池堆气体分配的影响
• 6.3.2 采用变截面总管对电池堆气体分配的影响
• 6.4 燃料电池电堆系统分析
• 6.4.1 电堆的气、水、热平衡
• 6.4.2 气、水、热平衡分析
• 6.4.3 气、水、热综合管理系统的方案设计
• 6.5 PEM燃料电池的多尺度模拟
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目