质子交换膜燃料电池水热管理性能及通道结构研究

作     者：王雪 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王长宏

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：PEMFC 水热管理 运行条件 结构设计 

摘      要：随着社会人口增长和能源危机现象日益加重,寻找新能源代替传统能源愈发重要。质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具有一般燃料电池的优势外,还具有结构简单、工作温度低、发电效率高等突出优点而受到广泛关注。然而,PEMFC运行中质子交换膜要始终保持一定的湿度,湿度过大,会发生水淹现象,湿度不够则会造成膜脱水。这些都会对燃料电池的性能和寿命造成严重影响。为了确保PEMFC在可靠的温度范围内运行,并使电池内温度均匀分布。这就产生了质子交换膜燃料电池发电系统的水热管理问题。本文以开放式阴极质子交换膜燃料电池为研究对象,通过改变燃料电池的运行条件对其进行水管理,风冷散热进行热管理,同时还研究了阴极通道结构对燃料电池性能的影响。主要研究内容及结论如下:1.通过实验的方法研究了PEMFC的运行条件对电池的性能,包括氢气相对湿度、氢气流量、空气流速。结果表明:(1)氢气入口相对湿度越高,同一电流密度下的电池电压越高,池性能越好。(2)一定的氢气流量可使氢利用率和电压稳定之间达到平衡。氢气流量为200ml/min时会导致供氢不足,电化学反应无法持续下去;将流量提高到600ml/min时,可以使反应持续下去,并能获得良好的电池性能;但是流量进一步提高到800ml/min时,电池性能不再提高,多余的氢气会排出。(3)开放式阴极质子交换膜燃料电池受阴极侧空气流量的影响较大。提高流量可以提高电池性能并加强内部均温性,但是过大的流速会使电池内部膜脱水,降低电池性能。存在最佳的空气流量以提高电池性能。2.为了进一步研究风冷散热对PEMFC的性能影响,研究了燃料电池堆的角度:平放180°、竖直放90°和-90°。由于受到重力影响,实验装置竖直放置90°和-90°时,电池在同一电压下,其电流密度较高。单电池电压在0.45V时,竖直放置的方式电流密度达到0.54A/cm,水平放置方式的电流密度为0.48A/cm。其次改变风扇放置方式为电堆两边各一个,在0.4A/cm的电流密度下逐渐增大风量。其最大电压为0.49V小于风扇并排放置时的电压,且总体均温性较差。可见这种改变风扇位置的方式并不能增大燃料电池性能。3.为了进一步探究水管理方法对质子交换膜燃料电池性能的影响,设计了具有梯形陷阱阴极通道,利用Fluent软件进行仿真模拟。结果表明,每增加一个梯形陷阱个数,电流密度增大0.01A/cm。随着梯形陷阱数量的增加,陷阱处的温度明显增高,有利于CL-GDL界面的温度均匀性。另一方面,温度的升高促进氧气运动速率加快,通道后半部的电化学反应加强。由此可知,具有梯形陷阱的阴极通道可提高电池性能。4.在梯形陷阱的基础上设计了具有矩形陷阱的阴极通道。在0.5V工作电压下,具有相同数量的矩形陷阱结构的电池的电流密度比具有梯形陷阱结构的增大了4.5%,结果表示具有矩形陷阱结构的燃料电池性能更优。另一方面,随着矩形陷阱长度的增加,同一电压下电池的电流密度随之增大。