质子交换膜燃料电池性能仿真与水管理的实验研究

论文摘要

汽车工业的快速发展改善了人们的生活水平,但也带来了石油需求激增和环境恶化问题。要走出这种尴尬的困境,主要有两条途径:一是通过采用先进的燃烧技术、燃料技术以及后处理技术改造传统汽车,制定更加严格的汽车污染物排放标准;二是发展新能源汽车。从长远利益看,发展新能源汽车是解决这些问题的有效途径,尤其是立足于氢能基础上的燃料电池汽车日益引起人们的关注。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其自身特点,特别适用于燃料电池汽车。针对目前对PEMFC研究的一些不足,采用数值仿真分析与实验研究相结合的方法,对平行流场和交指流场PEMFCs进行系统的仿真分析研究和水管理的实验研究。建立真实性得以改善的PEMFC三维、两相、非等温的数学模型,并应用到平行流场和交指流场PEMFCs的系统仿真工作中。把高灵敏度的双平行电导探针成功应用于PEMFC流道内气液两相流流型研究工作中。提出一种质子交换膜燃料电池-内燃机联合驱动系统,并对整个系统进行分析计算。建立了包括PEMFC阴极/阳极侧流道和扩散层、催化层以及质子交换膜在内的三维、两相、非等温数学模型。通过自定义程序,把所建立的模型耦合到计算流体力学（CFD）软件中进行求解,对基本工况下平行流场PEMFC包括阴/阳极侧流道在内的全流场进行统一的计算,仿真结果与实验数据吻合较好。说明建立的模型及其求解技术可以仿真不同工况下平行流场和交指流场PEMFCs内部相互耦合的三维、两相物质的流动、传热、传质和电化学特性。该模型同时考虑了包括PEMFC阴极/阳极侧流道和气体扩散层、催化层以及质子交换膜在内的三维特性、两相特性和非等温特性,仿真真实性得以改善。PEMFC的流场结构形式对其内部物质传质机理、进而对其电化学特性、极限电流密度及输出性能都有重要影响。通过求解建立的数学模型,分别对平行流场和交指流场PEMFCs包括阴/阳极侧流道在内的全流场进行统一的计算。仿真研究了平行流场和交指流场PEMFCs内部的三维、两相流动与传输现象、电池性能及其影响因素。通过仿真研究揭示了平行流场和交指流场PEMFCs流道和气体扩散层中的速度场分布、电池的温度场分布、流道中的压力场分布、阴极流道和气体扩散层中的氧气质量分数分布、阳极流道和气体扩散层中的氢气质量分数分布、流道和气体扩散层中的气态水和液态水的质量分数分布、质子交换膜中净水传递系数和水含量分布、电池过电势分布和电流密度分布,通过对上述各参数分布的详细分析,增进了对电池内部物理现象的理解。分析了阴极氧化剂种类、流道进气速度、流道出口压力、质子交换膜厚度和流道筋宽对平行流场和交指流场PEMFCs性能的影响,比较了这些影响因素对平行流场和交指流场PEMFCs性能影响的程度,并把包括流场流型在内的PEMFC性能影响因素进行了排序,排序结果由大到小为:氧化剂种类、流场流型、流道出口压力、流道进气速度、流道筋宽、质子交换膜厚度。用交指流场代替平行流场、阴极使用氧气代替空气作为氧化剂、提高反应气体进气速度和流道出口压力、减小质子交换膜厚度以及流道筋宽都可以不同程度地提高PEMFC的输出性能。分析研究表明,交指流场PEMFC的性能整体上优于平行流场PEMFC。数值仿真结果表明,建立的数学模型能够为PEMFC提供详细的三维、两相、非等温的流动和传输参数分布和电化学性能分布;能够对电池的设计和运行参数进行优化。用三维、两相、非等温的数学模型对交指流场PEMFC进行系统的仿真研究尚属首次。气液两相流流动是低温PEMFC运行中的一个普遍现象。而关于PEMFC内部工质两相流流动的研究很少,主要使用的研究方法为“可视化摄像”,但这种方法不能对PEMFC堆中不靠近阴极端板的电池单体进行研究。根据PEMFC运行时阴极气体和水的流量,自行设计了阴极仿真流道实验台,以“可视化摄像”方法为辅助,将高灵敏度的双平行电导探针流型测试技术成功应用于PEMFC流道内气液两相流流型研究。研究结果表明:PEMFC仿真流道气液两相流流型双平行电导探针测试系统和摄像系统都可以判断其中出现的活塞流和环状流,而双平行电导探针测试系统还可以把环状流分为三类。此探针测试系统可以对PEMFC堆中不靠近阴极端板的电池单体进行流型研究。这两个流型测试系统以探针测试系统为主,以摄像系统为辅,相互验证,增加了实验的准确性。PEMFC仿真流道中的典型流型包括活塞流、有较大液膜波动的环状流、有较小液膜波动的环状流和没有液膜波动的环状流,随着液体折算速度的增加,液塞出现的频率增大,液膜波动的频率增大。以气体折算速度为横坐标,液体折算速度为纵坐标,得到PEMFC流道中的流型图。此图可以用来预测不同运行条件下PEMFC流道中的气液两相流流型。本文PEMFC运行条件下,所产生的气液两相流流型均为有较小液膜波动的环状流,随着电流密度的增大,液膜波动频率增大;在同一电流密度情况下,随着位置靠近流道出口,液膜波动频率增大。根据质子交换膜燃料电池的特点,提出一种质子交换膜燃料电池-内燃机联合驱动系统,采用质子交换膜燃料电池和内燃机联合驱动大巴,同时燃气空调机为大巴提供冷风/热风,并对此系统进行了物质平衡计算和热平衡计算。计算结果表明,该系统的总效率可达50%以上,高于目前内燃机的效率,且此系统可以减少污染物排放,从而实现能源的高效、清洁利用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 汽车排放物的污染及其危害
• 1.1.2 新能源汽车
• 1.1.3 燃料电池汽车的开发水平
• 1.1.4 氢能技术路线图
• 1.2 燃料电池
• 1.2.1 燃料电池工作原理
• 1.2.2 燃料电池分类
• 1.3 质子交换膜燃料电池
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池的基本结构与工作原理
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池特点
• 1.4 质子交换膜燃料电池研究现状
• 1.4.1 质子交换膜燃料电池的性能仿真研究现状
• 1.4.2 质子交换膜燃料电池的水管理研究现状
• 1.4.3 质子交换膜燃料电池在交通领域应用研究现状
• 1.5 本文研究内容和方法
• 符号说明
• 参考文献
• 第二章 质子交换膜燃料电池数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 计算区域
• 2.2.2 模型假设
• 2.2.3 控制方程与源项
• 2.2.4 电化学特性方程
• 2.2.5 膜中水传输控制方程
• 2.3 边界条件及其他参数
• 2.4 数值仿真过程
• 2.5 模型验证与仿真工况
• 2.5.1 模型验证
• 2.5.2 仿真工况
• 2.6 本章小结
• 符号说明
• 参考文献
• 第三章 平行流场PEMFC 数值仿真
• 3.1 引言
• 3.2 平行流场PEMFC 物理参数分布
• 3.2.1 平行流场PEMFC 流道和气体扩散层中流体速度场分布
• 3.2.2 平行流场PEMFC 温度场分布
• 3.2.3 平行流场PEMFC 压力场分布
• 3.3 平行流场PEMFC 物质量的分布
• 3.3.1 平行流场PEMFC 阴极流道和气体扩散层中氧气质量分数分布
• 3.3.2 平行流场PEMFC 阳极流道和气体扩散层中氢气质量分数分布
• 3.4 平行流场PEMFC 的水传递与水管理
• 3.4.1 平行流场PEMFC 流道和气体扩散层中气态水的质量分数分布
• 3.4.2 平行流场PEMFC 流道和气体扩散层中液态水的质量分数分布
• 3.4.3 平行流场PEMFC 膜中净水传递系数分布
• 3.4.4 平行流场PEMFC 膜中水含量分布
• 3.5 平行流场PEMFC 性能及其影响因素
• 3.5.1 平行流场PEMFC 过电势分布
• 3.5.2 平行流场PEMFC 电流密度分布
• 3.5.3 阴极氧化剂种类对平行流场PEMFC 性能的影响
• 3.5.4 流道进气速度对平行流场PEMFC 性能的影响
• 3.5.5 流道出口压力对平行流场PEMFC 性能的影响
• 3.5.6 质子交换膜厚度对平行流场PEMFC 性能的影响
• 3.5.7 流道筋宽对平行流场PEMFC 性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 交指流场PEMFC 数值仿真
• 4.1 引言
• 4.2 交指流场PEMFC 物理参数分布
• 4.2.1 交指流场PEMFC 流道和气体扩散层中流体速度场分布
• 4.2.2 交指流场PEMFC 温度场分布
• 4.2.3 交指流场PEMFC 压力场分布
• 4.3 交指流场PEMFC 物质量的分布
• 4.3.1 交指流场PEMFC 阴极流道和气体扩散层中氧气质量分数分布
• 4.3.2 交指流场PEMFC 阳极流道和气体扩散层中氢气质量分数分布
• 4.4 交指流场PEMFC 的水传递与水管理
• 4.4.1 交指流场PEMFC 流道和气体扩散层中气态水的质量分数分布
• 4.4.2 交指流场PEMFC 流道和气体扩散层中液态水的质量分数分布
• 4.4.3 交指流场PEMFC 膜中净水传递系数分布
• 4.4.4 交指流场PEMFC 膜中水含量分布
• 4.5 交指流场PEMFC 性能及其影响因素
• 4.5.1 交指流场PEMFC 过电势分布
• 4.5.2 交指流场PEMFC 电流密度分布
• 4.5.3 阴极氧化剂种类对交指流场PEMFC 性能的影响
• 4.5.4 流道进气速度对交指流场PEMFC 性能的影响
• 4.5.5 流道出口压力对交指流场PEMFC 性能的影响
• 4.5.6 质子交换膜厚度对交指流场PEMFC 性能的影响
• 4.5.7 流道筋宽对交指流场PEMFC 性能的影响
• 4.6 不同因素对平行流场和交指流场PEMFCs 性能影响程度的分析
• 4.6.1 流场流型对PEMFC 性能的影响
• 4.6.2 阴极氧化剂种类对平行流场和交指流场PEMFCs 性能的影响程度
• 4.6.3 流道进气速度对平行流场和交指流场PEMFCs 性能的影响程度
• 4.6.4 流道出口压力对平行流场和交指流场PEMFCs 性能的影响程度
• 4.6.5 质子交换膜厚度对平行流场和交指流场PEMFCs 性能的影响程度
• 4.6.6 流道筋宽对平行流场和交指流场PEMFCs 性能的影响程度
• 4.7 本章小结
• 第五章 质子交换膜燃料电池水管理的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 两相流流型与双平行电导探针流型测试技术
• 5.2.1 两相流流型
• 5.2.2 双平行电导探针流型测试技术
• 5.3 实验装置
• 5.3.1 供气、供水系统
• 5.3.2 电导探针测试系统与可视化摄像系统
• 5.4 实验方案与实验工况
• 5.4.1 实验方案
• 5.4.2 实验工况设计计算
• 5.5 实验结果
• 5.5.1 典型工况实验结果与流型图
• 5.5.2 质子交换膜燃料电池实际运行时仿真流道实验结果
• 5.6 本章小结
• 符号说明
• 参考文献
• 第六章 质子交换膜燃料电池-内燃机联合驱动系统
• 6.1 引言
• 6.2 质子交换膜燃料电池-内燃机联合驱动系统
• 6.2.1 系统构成与工作原理
• 6.2.2 系统特点
• 6.3 系统的物质平衡
• 6.3.1 阳极换热-加湿器的物质平衡
• 6.3.2 阳极流域的物质平衡
• 6.3.3 内燃机的物质平衡
• 6.3.4 阴极流域的物质平衡
• 6.4 系统的热平衡
• 6.4.1 系统各部分的热平衡
• 6.4.2 系统效率
• 6.5 计算结果
• 6.6 本章小结
• 符号说明
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 创新点
• 7.3 今后工作展望
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果