堿性陰離子交換膜燃料電池水熱管理的實驗及仿真研究.pdf

1、隨著人類社會的發(fā)展，人們對能源效率及環(huán)境保護的要求越來越高，燃料電池以其啟動快、效率高、噪聲低、污染小的特點得到了越來越多的關注。在燃料電池中，堿性陰離子交換膜燃料電池(Alkaline membrane fuel cell, AMFC)具有較高的電化學動力學特性、較低的貴金屬催化劑依賴性以及較好的二氧化碳耐受性。因而，近年來受到了國內外廣泛的討論與研究。在AMFC的研究領域中，水熱管理是制約其性能、成本和耐久性的關鍵因素之一。因此，研

2、究其中的水熱管理問題及傳熱傳質過程，對了解 AMFC工作機理、制定水熱管理策略具有十分重要的意義。
　　首先，本研究通過制備 AMFC膜電極、組裝燃料電池、搭建實驗系統(tǒng)，在不同工況條件下測試了AMFC的性能。結果表明，AMFC的激活過程分為兩個階段，第一個階段為性能提升階段，第二個階段為性能衰減并達到穩(wěn)定的階段。同時，陰陽兩極進氣加濕能十分顯著地提升電池性能，并且陰極進氣加濕的作用更為明顯。此外，負載的增加和減小分別會引起電流密度

3、的過沖和下沖，而且過沖及下沖的幅度會隨著負載變化的增加及加載時間的縮短而加劇。
　　其次，為了進一步了解 AMFC的水熱管理及傳熱傳質機理，本研究建立了AMFC全電池的三維多相流數(shù)值模型。該模型模擬了電池內部的化學反應、質量傳輸、動量傳輸、能量傳遞和水的相變等過程，并與實驗結果吻合較好。
　　再次，通過建立的AMFC三維多相流數(shù)值模型，本研究分析了穩(wěn)態(tài)條件下陰陽兩極進氣加濕、工作溫度、膜厚度和膜電極疏水性等工況條件及設計參數(shù)

4、對燃料電池性能及傳熱傳質過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，陽極進氣加濕可以提升AMFC性能，但其作用會隨著加濕程度的增加而減弱。陰極進氣加濕對性能的提升作用更加顯著，并且高負載條件下，陰極流道中的液態(tài)水供給會進一步提高電池性能。
　　最后，本研究分析了AMFC對負載、陰陽兩極進氣加濕、工作溫度等工況的動態(tài)響應。在循環(huán)負載工況中，負載的加載順序對AMFC的性能有一定影響，并且加濕程度越低，影響越顯著。此外，由陰陽兩極進氣相對濕度降低引起的膜態(tài)水