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浙江大学学报（工学版） 2015年第11期49卷 2193-2197,2213页

作者：王世学齐贺天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 天津大学机械工程学院天津300072

针对膜电极有效面积为25cm2的质子交换膜燃料电池(PEMFC)单体以0.8A/cm2的电流密度恒流放电过程中,阴阳极反应气体加湿温度不同时电池性能的变化,通过监测电池温度及阴阳极流场入口压力,探讨在不同加湿条件下,阴极入口压力与电池性能之... 详细信息

针对膜电极有效面积为25cm2的质子交换膜燃料电池(PEMFC)单体以0.8A/cm2的电流密度恒流放电过程中,阴阳极反应气体加湿温度不同时电池性能的变化,通过监测电池温度及阴阳极流场入口压力,探讨在不同加湿条件下,阴极入口压力与电池性能之间的关系.实验结果表明,空气加湿温度显著地影响阴极入口压力的高低与稳定性,以及阴极压力与电池输出电压的相关性.同时,相较于阳极氢气,对阴极空气的加湿更有利于燃料电池的稳定运行.

关键词：加湿温度干涸水管理质子交换膜燃料电池(PEMFC)

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质子交换膜燃料电池水热管理研究

质子交换膜燃料电池水热管理研究

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作者：杨鹏辉郑州大学

学位级别：硕士

随着社会经济的飞速发展,化石燃料被大量消耗,相应的环境污染问题日趋严峻。如何减少化石燃料的消耗、实现能源的高效清洁利用,成为人类所面临的世纪难题。燃料电池可将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能,因其不受卡诺... 详细信息

随着社会经济的飞速发展,化石燃料被大量消耗,相应的环境污染问题日趋严峻。如何减少化石燃料的消耗、实现能源的高效清洁利用,成为人类所面临的世纪难题。燃料电池可将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能,因其不受卡诺循环限制、能量转化效率高、对环境无污染而被认为是最有前景去替代传统供能装置的能量转换装置。其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）除具有燃料电池的一般优势外,还具有工作温度低、无电解液流失、比功率高、启停响应快等突出优点而受到广大研究者的重点关注。本文结合PEMFC工作特点,从电池操作参数和材料物性参数两个方面利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对电池的水热管理进行了数值模拟研究。首先围绕PEMFC工作运行中复杂的“三传一反”过程,以基本流体力学模型和电化学反应模型中的各守恒方程为理论基础,建立了一个三维稳态PEMFC模型,并通过与前人实验结果对比以验证其正确性。结果表明在相同的条件下模拟结果与实验结果吻合性较好,电流密度和电解质平均温度最大误差分别为2.05%和0.6%,证明建立的数值模型正确并可用于后续的研究。然后通过控制PEMFC阴极GDL孔隙率研究了电池材料物性参数对燃料电池性能的影响。分别构建了四种孔隙率沿电池厚度方向变化和六种孔隙率沿电池长度方向变化的阴极GDL模型。研究了不同阴极GDL孔隙率对燃料电池性能的影响。结果表明,电池所能达到的极限电流密度与GDL平均孔隙率大小成正比,与孔隙率梯度基本无关。阴极GDL孔隙率梯度的存在可以有效改善电池内部物质（水和氧气）和电流分布的均匀性。燃料电池进口气体合适的湿度条件可以有效优化电池的水热管理,进而影响电池的输出性能。综合考虑,本文通过控制进口气体加湿温度来研究操作参数对燃料电池性能的影响。使阴、阳极进口气体加湿温度在313.15—363.15 K间变化,研究了对称加湿和非对称加湿时加湿温度对燃料电池性能的影响。发现对于对称加湿模型,加湿温度对电流密度和电池温度的影响存在一阈值,在本文所研究的加湿温度范围内,最佳进口气体加湿温度为333.15 K。对于非对称加湿模型,在高工作电压下,提高电池阴、阳极进口气体加湿温度均有助于提高电池性能,且改变阳极气体加湿温度对电池性能的影响更大,改变阴、阳极加湿温度电流密度分别增大了43.7%和58.4%;在低工作电压下,加湿温度对电池性能的影响发生改变,电流密度随加湿温度的增大而降低,且改变阴极气体加湿程度对电池性能的影响更大,改变阴、阳极加湿温度电流密度分别降低了19.7%和1.3%。

关键词：质子交换膜燃料电池 GDL孔隙率梯度加湿温度水热管理数值模拟

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具有二次进气口的质子交换膜燃料电池的性能研究

具有二次进气口的质子交换膜燃料电池的性能研究

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作者：齐贺天津大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的水管理问题一直燃料电池领域的热门问题,其中水淹问题是影响PEMFC性能的关键因素。为了缓解PEMFC流道内的水淹状况,提出了一种新型进气方式——具有二次进气口的新型进气方式,以期提高PEMFC的性能。首先... 详细信息

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的水管理问题一直燃料电池领域的热门问题,其中水淹问题是影响PEMFC性能的关键因素。为了缓解PEMFC流道内的水淹状况,提出了一种新型进气方式——具有二次进气口的新型进气方式,以期提高PEMFC的性能。首先就加湿温度这一直接影响电池内部水环境的参数进行了实验研究,对膜电极有效面积为25cm2的PEMFC单元进行了恒流放电。实验结果表明,相较于阳极氢气的加湿,对阴极空气的加湿更有利于PEMFC的稳定运行,阴极空气的加湿温度在保证电池电压稳定性方面起到的作用更大。通过监测阴极流道的进出口压差,发现对于单蛇形流道而言,进出口压差可以反映流道内的液态水状况。当加湿温度较低时,阴极压差与电压的变化是正相关的,当水淹发生时,阴极压差与电压是负相关的。液态水在阴极流道内一般出现在流道的后半部分,从而影响氧气的扩散,造成传质损失。针对这一特点,提出了具有二次进气口的新型进气方式。所谓的新型进气方式,即在不改变阴极空气总供气量的基础上,将其中一部分空气不经加湿直接通过二次进气口供入电池,希望二次进气的引入,节约加湿气体所用的水分以及改变流道后半部分的水淹状况和氧气分布,进而提高性能。通过二维数学模型对新型进气方式所能达到的效果进行了模拟分析。模拟结果表明,新型进气方式可以缓解阴极流道内的水淹状况,特别是电流密度较高时,电池性能提升明显。同时也模拟了不同二次进气口位置以及不同分流量对性能的影响,结果表明:二次进气口位于总长度的30%左右,分流量在60%~70%时,电池性能最佳。对膜电极有效面积为90cm2的具有二次进气口的PEMFC单元进行了实验研究,实验结果表明,二次进气口与主进气口距离占总流道长度的30%时,对性能的提升最显著。随着二次进气口位置的后移,分流对性能的提升效果逐渐变差。通过二次进气口进入电池的干空气比例对电池性能的影响与电流密度有关,电流密度为0.75A/cm2时,分流量越大,性能提升效果越好,但是波动也会略微增大;低电流密度时,二次进气比例的增加对性能有害,造成电压波动剧烈。新型进气方式性能最好的工况点是:对于高电流密度区是0.3L-0.7F,即分流点与主进气口距离占总流道长度的30%,分流量占总流量的70%,与模拟结果是完全一致的。当电流密度低时,分流不会提高性能甚至使其下降。

关键词：质子交换膜燃料电池水管理加湿温度水淹进气方式

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