直接甲醇质子交换膜燃料电池中传热传质现象的研究

论文题目: 直接甲醇质子交换膜燃料电池中传热传质现象的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 热能工程

作者: 王江

导师: 施明恒

关键词: 直接甲醇燃料电池,传热传质,干涸,两相逆流,拟沸腾,冷却系统

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 直接甲醇燃料电池(DMFC)被认为是21世纪电动汽车最佳候选动力源。本文对电动汽车用DMFC水管理、热管理和CO2气体管理相关的传热传质问题进行了深入的理论探索,并设计组装了一个活化面积为100cm2的DMFC单电池及其性能测试系统实验台。为了阐明水在PEM中的传递机理,本文首先对DMFC的PEM中能量和质量迁移过程进行了定性分析和定量研究。应用有内热源的多孔介质中流体流动与换热理论求解了PEM中的温度分布和含水量分布,得到了与文献中报道的实验观察现象相一致的结论。计算结果还表明:反映水的热容量和膜的内部产热量的两个无量纲准则数D和N是研究PEM中热量和湿分迁移过程的重要工具;利用这两个重要的无量纲准则数D和N ,能对PEM中的流动和传热工况进行定性的分析和定量的判断;水的质量流率小和电流密度过高是造成膜失水的主要原因。利用多孔介质模型首次对DMFC的PEM内两相逆流的形成和发展规律进行了探索研究。进一步从传热传质学的角度阐明了PEM干涸烧毁的机理。建立了多孔PEM中两相区内的一维、稳态、含内热源多孔介质相变传热传质模型。该模型考虑了毛细力、电渗力和相变的影响。推导出了PEM中两相区的无量纲理论长度δt的计算公式和PEM临界干涸准则数[ ?ω/γ]cr的表达式。利用该模型对两相区内液相水饱和度、各相的压力以及温度分布进行了数值模拟。模拟结果能够从机理上解释欧姆极化区DMFC性能变化规律,为确定阴极催化剂含载量与最佳PEM厚度的选取提供了理论依据。通过推导和分析电池堆系统的热平衡方程式,明确了电池堆中废热的去除主要通过反应物吸收、水的蒸发和冷却系统三种机制来实现。在对Q?e v、Q? l和Q?r c三者关系的探讨中,进一步定量地建立了水平衡和热平衡的联系。依据DMFC电池堆水管理和热管理的要求,设计了一套分形树状网络通道散热系统。对该新型结构散热器的换热和泵功特性的分析表明其性能优于传统的平行通道和蛇行通道冷却系统。通过对该系统进行结构优化设计,得到了应用于DMFC堆的分形网络通道最优化结构参数。定量计算得到的热负荷、冷却水的质量流量以及冷却水进出口温差三者之间的联系曲线均表明,该结构能够将大部分温差转移到其覆盖区域的边缘部位,而核心部位的温度梯度能够控制在很小的范围内。计算结果还可用于MEA活化面积尺寸的优化设计。本文将DMFC阳极流道中伴随有边界面上的气液质量传递过程的两相流动现象与传统加热管中流动沸腾现象进行了比拟,首次提出了“拟沸腾”的概念,并建立了拟沸腾压力降模型来预测阳极流道中压力变化情况。通过模型计算结果与相关试验资料的对比,验证了模型的正确性和适用范围,而且新发现了一个有趣的现象:对于小活化面积的电池,在小电流密度下运行时,流道中扩散层表面的“非活化点”处滞留的气泡核心对主流有较大的附加摩擦阻力作用。利用本文模型进行了参数分析,主要考察了电流密度、阳极进料流量和电池工作温度对流动压力降的影响。得到了一个十分有意义的推论:如果DMFC的活化面积较小,为了避免流道中压力分布不均匀对电池性能的影响,可以将电池水平放置以提高电池性能和稳定性;而当电池活化面积较大时,电池较适合竖直放置。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 燃料电池简介

1.1.1 燃料电池的构造和工作原理

1.1.2 燃料电池的类型、研究现状及应用

1.1.3 燃料电池的开发背景

1.2 质子交换膜燃料电池

1.2.1 单电池和电池堆的结构

1.2.2 各主要构件的功能及材料

1.2.3 PEMFC 的性能分析

1.3 直接甲醇燃料电池

1.3.1 概述

1.3.2 DMFC 商业化存在的主要问题

1.3.3 DMFC 的开发现状

第二章直接甲醇燃料电池模型和传热传质研究现状的分析

2.1 PEMFC 的研究进展

2.1.1 文献调研

2.1.3 质子交换膜中的水传递模型

2.1.4 催化层数学模型

2.1.5 扩散层数学模型

2.2 DMFC 的研究进展

2.2.1 DMFC 在纽卡斯尔大学的发展

2.2.2 DMFC 在Julich 研究中心的发展

2.2.3 DMFC 在香港科技大学的发展

2.2.4 DMFC 在宾夕法尼亚大学的发展

2.2.5 DMFC 在其他研究机构的发展概述

2.3 本文的主要研究内容及意义

第三章直接甲醇燃料电池质子交换膜中的水传递

3.1 质子交换膜

3.1.1 Nafion 膜的微观结构及质子传导机理

3.1.2 质子交换膜的水含量

3.2 质子交换膜中热量和水份的迁移

3.2.1 质子交换膜的脱水和干涸现象

3.2.2 PEM 中的热量和质量迁移

3.2.3 PEM 中温度场和含水量分布的求解方法

3.2.4 计算结果及分析

3.3 质子交换膜中的两相逆流和干涸机理

3.3.1 PEM 中两相逆流的发生和发展

3.3.2 理论模型的建立

3.3.3 计算结果及分析

3.4 本章小结

第四章直接甲醇燃料电池堆新型冷却系统的研究

4.1 电池堆的热管理

4.1.1 热管理的内容及目的

4.1.2 电池系统的热平衡

4.1.3 电池系统的温度控制要求

4.1.4 DMFC 常规冷却方式概述

4.2 分形树状网络通道散热器

4.2.1 分形树状网络通道的几何结构特征

4.2.2 分形树状网络通道散热器的换热特性

4.2.3 分形树状网络通道散热器的泵功特性

4.3 DMFC 堆新型冷却系统的设计

4.3.1 分形树状网络通道的结构优化

4.3.2 冷却系统对DMFC 堆冷却效果的分析模型

4.3.3 冷却系统对排热板壁面温度分布的影响

4.3.4 热负荷对流程方向温度分布的影响

4.3.5 冷却水流量对流程方向温度分布的影响

4.3.6 冷却水的进出口温差与流量的关系

4.3.7 MEA 活化面积尺寸的优化设计

4.4 本章小结

第五章直接甲醇燃料电池阳极流道中流动特性的研究

5.1 DMFC 的CO_2 气体管理

5.2 阳极流道中的气液两相流

5.2.1 CO_2 气泡在扩散层表面的生长及脱离

5.2.2 阳极两相流的流型变化

5.3 阳极流道中流动的拟沸腾理论

5.4 阳极流道内两相流流动压力降模型

5.4.1 各组分的质量流量分布

5.4.2 两相流动压力降计算关联式

5.4.3 阳极流道两相流压力降模型的求解方法

5.4.4 模型的实验验证

5.5 模型的计算结果和分析

5.5.1 电流密度对压力降的影响

5.5.2 进料流量对压力降的影响

5.5.3 工作温度对压力降的影响

5.6 本章小结

第六章直接甲醇燃料电池的实验研究

6.1 DMFC 单电池的设计

6.2 DMFC 单电池的调试实验

6.2.1 单电池的组装

6.2.2 MEA 的活化

6.2.3 单电池的调试实验步骤

6.2.4 单电池的调试实验结果分析

6.3 性能测试系统的研制

6.3.1 阳极供料及排放系统

6.3.2 阴极供料及排放系统

6.3.3 加热及温控系统

6.4 性能测试实验台的调试

6.5 小结

第七章结论和展望

7.1 结论

7.1.1 本课题的意义

7.1.2 本文的主要工作回顾

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

发布时间: 2007-06-11

参考文献

[1].质子交换膜燃料电池设计与综合优化研究[D]. 王萌.北京科技大学2019
[2].碱性条件下燃料电池阳极反应电催化剂的制备及性能研究[D]. 卢思奇.北京化工大学2018
[3].燃料电池化学有序铂基催化剂氧还原反应催化性能的研究[D]. 蔡业政.北京化工大学2018
[4].基于前过渡金属氮化物燃料电池电催化剂的研究[D]. 罗俊明.华南理工大学2018
[5].基于过渡金属氮化物的燃料电池低铂及非铂催化剂研究[D]. 汤海波.华南理工大学2018
[6].熔融碳酸盐阳极固体氧化物碳燃料电池的研究[D]. 李双滨.中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)2018
[7].新型石墨烯复合燃料电池电解质材料的制备、组织和性能研究[D]. 黄敏.合肥工业大学2018
[8].质子交换膜燃料电池温度控制研究[D]. 程思亮.清华大学2017
[9].固体氧化物火焰燃料电池机理与性能研究[D]. 王雨晴.清华大学2017
[10].车用质子交换膜燃料电池水传递动态建模与状态估计[D]. 胡骏明.清华大学2017

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