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基于CFD方法的质子膜燃料电池内部传质分析及优化设计

基于CFD方法的质子膜燃料电池内部传质分析及优化设计

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作者：张卿雷上海交通大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是通过电化学反应将燃料气体中的化学能转化为电能的发电装置。由于其零污染,高能效,紧凑的结构和快速启停能力,PEMFC已被广泛视为汽车和移动应用的潜在未来电源。但PEMFC的商业化仍需进一步改进性能和降低系... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是通过电化学反应将燃料气体中的化学能转化为电能的发电装置。由于其零污染,高能效,紧凑的结构和快速启停能力,PEMFC已被广泛视为汽车和移动应用的潜在未来电源。但PEMFC的商业化仍需进一步改进性能和降低系统成本,其中水管理是其中重要的一环。如果膜电极组件(MEA)中的水含量过高,则会引起水淹,导致巨大的浓度损失。如果水含量太低,将导致膜和Nafion的脱水,这又降低了质子传导性并且显著增加了欧姆损失。本文通过仿真计算和实验研究,对质子交换膜燃料电池的内部传质问题进行了探究,对低湿工况提出了逆流策略,高湿工况提出了两种改进的流场方案,对干燥工况则提出了氢循环的方案,以期达到稳定膜中水含量,提高质子导率,最终提升电池性能的目的。本文的主要内容如下:首先介绍了质子交换膜燃料电池的相关知识和近些年来关于电池水管理、流道以及自增湿的研究进展,并引入了需要解决的加湿和排水问题。在第二章中,引入了计算流体力学模型,以解决描述燃料电池内部流动现象的问题;之后导入Butler-Volmer方程以及相应的电流守恒方程,用于解释燃料电池中的电化学现象与电化学反应。之后文章结合两个理论模型引出了水传质现象,建立了传质模型,对膜的质子传导率的影响因素进行了分析。最后分析了液态水产生以及传输的机理。在第三章中,引入了在低湿度工况下具有自增湿效果的逆流策略。在模型建立完毕之后,设计了相应的实验以验证模拟计算的结果。通过模拟计算,解析了逆流策略对电池各组分分布以及性能的影响,得出其在阳极进气湿度较低的前提下自增湿性能优秀的结论。在第四章中,首先介绍了燃料电池在高湿工况下面临的排水问题,然后引入了两种变形流道,一种为渐变深度流道,另一种为渐变宽度流道。之后通过计算与实验,考察了变形流道对于流场各参数的影响。得出了变深度流道及变宽度流道相比传统流道,具有较优的性能和较为合理的液态水含量分布,并且在排水性能上大大优于传统流道。两种新型流道相比,则变宽度流道因为相对较低的压降获得了综合性能上的优势。在第五章中,介绍了针对干燥工况的氢循环的计算模型。考察了氢循环对于电池阳极平均湿度、膜的水含量以及电流密度的影响及响应时间。相比无氢循环的稳态工况,循环使得电池阳极平均湿度、膜的水含量以及电流密度均有相当的提升,并且响应时间很快。但循环补充氢气时对于阳极平均湿度和电流密度有冲击,在实际电堆操作时需要注意。

关键词：质子交换膜燃料电池内部传质水管理优化流道氢循环

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质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流场优化与研究

质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流场优化与研究

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作者：廉钰弢山东建筑大学

学位级别：硕士

近年来,为应对来自环境污染与化石燃料枯竭的压力,各国政府与科研机构越来越重视对清洁、高效新能源技术的研究与应用。在众多新能源技术中,氢能源以高效、零污染等优点日益成为各方关注的焦点。作为氢能源利用的主要方式,燃料电池不仅... 详细信息

近年来,为应对来自环境污染与化石燃料枯竭的压力,各国政府与科研机构越来越重视对清洁、高效新能源技术的研究与应用。在众多新能源技术中,氢能源以高效、零污染等优点日益成为各方关注的焦点。作为氢能源利用的主要方式,燃料电池不仅可以作为交通运输工具的动力源,而且可以用于分布式发电的热电联产系统之中。对燃料电池内重要组成部件——双极板进行研究与优化,可以显著提升燃料电池的输出功率,对氢能及燃料电池的商业化推广意义重大。对流道布局及结构参数优化的研究一直以来都是双极板研究的重点。合理的流道布局方式和结构尺寸参数,不仅能够帮助反应气体充分分配到膜电极中参与电化学反应,进而提升燃料电池的功率密度,而且可以将反应产生的液态水及时高效地从流道中排出,保证燃料电池运行的可靠性。本文工作为后续学者在质子交换膜燃料电池圆形双极板新型流道的结构设计与性能研究,尤其是针对径向流道的相关研究提供了理论支持和研究经验。首先,对国内外在PEMFC双极板流道方面的研究现状,尤其是双极板上流道的结构布局设计以及流道横截面形状与尺寸的相关研究进行了调研,进而设计了一种新型质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流道结构。其次,构建了质子交换膜燃料电池建模仿真中用到的主要数学模型,包括描述燃料电池内部物质传输的流体力学基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分守恒方程）以及用于解释电池内部电化学反应与现象的Bulter-Volmer方程和电流守恒方程。再次,构建了本文所研究的PEMFC圆形双极板径向流道以及两种传统常规PEMFC流道（直流道与蛇形流道）的几何模型,并对数值仿真时用到的仿真计算假设、边界条件和物性参数等进行了介绍。对三种流道结构数值仿真得到的电化学性能进行比对。搭建了质子交换膜燃料电池单体测试平台,定做了径向流道、平行直流道和蛇形流道的PEMFC单电池。通过实验对所构建的仿真模型进行了参数修正,经过验证保证了模型的准确性和可靠性。最后,对所设计的新型PEMFC圆形双极板径向流道的三项主要几何结构参数（肋板级数、各级肋板孔道排布和孔道横截面几何参数）进行了研究。在对不同肋板级数的PEMFC圆形双极板径向流场的性能进行研究过程中,通过对比4级肋板、5级肋板、6级肋板和7级肋板四种方案发现,5级肋板在电化学性能方面最佳,在相同工作电压下,能够提供更大的极限电流密度和功率密度。4、5级肋板方案在气体扩散层/催化层氧气浓度分布方面明显优于其他两种方案。5级肋板虽然在流道及膜内水分布均匀性上不及4级,但在膜内水含量分布上最为合理。在对各级肋板孔道排布进行研究过程中,通过对比A-E五种方案发现,C型孔道排布方式无论在电池电化学性能（极限电流密度、最大功率密度等）方面,还是在径向流场物质输运能力（阴极GDL-CL界面氧气分布、流道及膜内水分布）方面均得到了极大提升。在研究孔道横截面几何参数对电池性能影响的研究过程中,通过对比八种不同方案发现,孔道长宽比为1.5—1.75的矩形孔道能够明显提升PEMFC的电化学性能,且对氧气的输运、产物水的排出效果最佳。

关键词：质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流道极化曲线内部传质

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