空气自然对流式质子交换膜燃料电池的性能分析和阴极流道开口率的优化

论文摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温、常压下工作,启动快且功率密度高,以固体膜为电解质,容易密封。因而既可用作固定电站,又是移动电源的最佳选择,还可用于小型电子设备的动力源,是目前各国研究的热点。小型化是质子交换膜燃料电池替代普通电池成为小型电子设备的动力源的关键。本文的研究正是基于质子交换膜燃料电池的小型化而展开的。 空气自然对流式PEMFC是一种不需要空气压缩机和加湿器的质子交换膜燃料电池,有效减小了电池的体积。引起空气自然对流式PEMFC整体性能下降的因素是多方面的,其中氧气传输限制、膜含水量不足、流道结构设计不合理等是引起其性能下降的重要因素。这些因素和电池内部的流动、传热、传质的特性密切相关。因此对电池内部的传输现象进行数值和实验的研究,分析得到上述因素对电池性能影响的规律,进而对流道结构进行优化设计,最后达到改善电池性能的目的。这一研究具有重要的学术与应用价值。 本文建立了空气自然对流式PEMFC的三维数学模型,模型得到了实验数据很好的验证。根据模型计算结果对电池内部的传输现象进行了理论分析。分析表明:电池内部的流动、传热、传质对电池的性能影响极大,而且这些传输特性之间存在极强的耦合作用。正确理解和分析这些现象,以及现象之间的关系,找到其影响电池性能的规律,是电池优化设计的保障。三维计算模型可以方便地预测电池性能,作为结构优化设计工具。 首次利用氧气传输的无量纲系数和电流密度的关系来计算电池的极限电流密度,并通过对阴极流动、传热、传质的无量纲分析给出了氧气传输的无量纲速率Sh数与自然对流的Gr数之间的拟合关系式。关系式揭示了空气自然对流式PEMFC浓差极化的根本原因。 针对不同的阴极流道开口率和不同的极板脊的宽度,建立了数值计算模型。研究了阴极流道结构对电池内部传输及电池性能的影响。确立了该种电池设计下,优化的阴极流道开口率为75.9%,阴极流道宽度为3mm,极板脊宽度为1mm。通过理论分析阴极流道对电池性能影响,对阴极流道结构设计的准则进行了探讨。 建立了测试空气自然对流式PEMFC的温度及性能的实验系统,实验测试的结果表明:数值计算的电池性能与实验结果很好的吻合,验证了数值计算的正确性。通过实验,还研究了空气湿度对电池性能的影响。研究发现:空气湿度对电池性能有着严重的影响。当空气湿度为53%时,电池内的液态水

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 本研究课题的学术背景及理论与实际意义
• 1.1.1 质子交换膜燃料电池替代普通电池的可行性分析
• 1.1.2 空气自然对流式质子交换膜燃料电池的特点
• 1.1.3 空气自然对流式质子交换膜燃料电池性能下降的因素
• 1.1.4 阴极流道优化设计的重要意义
• 1.2 国内外文献综述
• 1.2.1 空气自然对流式质子交换膜燃料电池的研究
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的数值模型研究
• 1.2.3 流道中自然对流的研究
• 1.2.4 质子交换膜燃料电池流道优化设计的研究
• 1.3 本研究课题的来源及主要研究内容
• 第2章 空气自然对流式质子交换膜燃料电池的数学模型
• 2.1 二维传热传质模型
• 2.1.1 组分质量传输方程
• 2.1.2 能量传输方程
• 2.1.3 阴极流道中速度和流量的求解
• 2.1.4 二维数学模型的不足
• 2.2 三维数学模型
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 能量守恒方程
• 2.2.3 动量守恒方程
• 2.2.4 组分传输方程
• 2.3 电化学模型
• 2.4 膜中水的传输模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 数学模型的参数研究及求解
• 3.1 模型边界条件和参数
• 3.1.1 模型边界条件
• 3.1.2 几何参数和工作条件
• 3.1.3 混合物的物性参数
• 3.1.4 空气自然对流的无量纲参数
• 3.2 模型求解
• 3.2.1 差分方程组的求解
• 3.2.2 守恒控制方程的求解
• 3.2.3 非线性方程的求解
• 3.3 模型的程序结构
• 3.3.1 二维数学模型的程序结构
• 3.3.2 三维数学模型的程序结构
• 3.4 本章小结
• 第4章 实验系统及实验内容
• 4.1 实验研究的意义及研究方案
• 4.2 实验系统的组成及流程
• 4.3 试件的设计和加工
• 4.3.1 双极板的结构设计
• 4.3.2 阴极流道的尺寸设计
• 4.3.3 膜电极三合一的制备
• 4.4 实验内容
• 4.5 实验结果和分析
• 4.5.1 空气湿度对电池性能的影响
• 4.5.2 扩散层表面的温度分布
• 4.5.3 电池的瞬态性能
• 4.6 本章小结
• 第5章 空气自然对流式质子交换膜燃料电池内部传输现象的理论分析
• 5.1 数值模型的实验验证
• 5.1.1 二维数值计算结果与实验数据的比较
• 5.1.2 三维数值模型的实验验证
• 5.2 自然对流和电化学反应的特性研究
• 5.2.1 流动和电化学反应的相互影响
• 5.2.2 传热和电化学反应的相互影响
• 5.2.3 传质和电化学反应的相互影响
• 5.2.4 水的传输对电化学反应的影响
• 5.3 引起浓差极化的主要因素分析
• 5.3.1 流动的影响
• 5.3.2 水的分布的影响
• 5.4 传热及传质特性的无量纲分析
• 5.4.1 传热特性的无量纲分析
• 5.4.2 传质特性的无量纲分析
• 5.4.3 氧气传输系数和Gr数之间的无量纲关系
• 5.5 本章小结
• 第6章 阴极流道结构的优化设计
• 6.1 流道结构对流动及传热传质的影响
• 6.1.1 对流动的影响
• 6.1.2 对温度分布的影响
• 6.1.3 对氧气传输的影响
• 6.1.4 对水的传输的影响
• 6.2 流道结构对电池性能的影响
• 6.2.1 电池性能的比较分析
• 6.2.2 对电流密度和过电位分布的影响
• 6.3 流道结构优化设计准则的探讨
• 6.3.1 强制对流下流道结构设计的分析
• 6.3.2 空气自然对流下阴极流道结构设计准则的探讨
• 6.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果