質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)U(kuò)散層形變及其對(duì)電池傳輸特性和性能影響的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,PEMFC)作為通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、功率密度高、啟動(dòng)快、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛的認(rèn)為是未來(lái)最有發(fā)展前途的清潔能量轉(zhuǎn)換裝置。而在各組件通過(guò)裝配壓力連接在一起的過(guò)程中,起到支撐作用的氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer,GDL),其多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)遭到破壞,這對(duì)水的傳

2、輸尤其是排出帶來(lái)很大的影響,給PEMFC的水熱管理以及性能帶來(lái)新的問(wèn)題。本文結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)裝配壓力引起的GDL的機(jī)械特性以及電化學(xué)反應(yīng)和性能的變化進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,以掌握其影響規(guī)律。論文主要工作如下:
　　(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)在PEMFC中GDL的壓縮模量進(jìn)行測(cè)定,經(jīng)過(guò)多次測(cè)量的平均得到其值為5.53 MPa,并利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)一步分析了得到在600N的作用力下,GDL的孔隙率已經(jīng)從初始的0.78下降至0.2左右,滲

3、透率的變化也達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)之多。
　　(2)利用有限元方法(Finite Element Analysis,FEA)研究了裝配壓力對(duì)PEMFC中GDL變形情況的影響。研究結(jié)果表明隨著裝配壓力的不斷增加,脊部下方的GDL會(huì)發(fā)生不同程度的變形,而流道下方的GDL則基本不發(fā)生變形。
　　(3)對(duì)自行組裝的燃料電池進(jìn)行了不同操作條件下的性能測(cè)試,并得到進(jìn)氣壓力為0.2MPa,進(jìn)氣溫度為70℃,而進(jìn)氣相對(duì)濕度為100％時(shí),電池的性能相

4、對(duì)最好。并在此基礎(chǔ)上得到不同裝配壓力下所對(duì)應(yīng)的PEMFC性能曲線,研究結(jié)果表明PEMFC的性能并不是隨著裝配壓力的升高而一直變好的,在高電流密度的時(shí)候,電池性能甚至?xí)霈F(xiàn)一定程度的下降。
　　(4)基于FEA的研究結(jié)果,通過(guò)自行編譯程序建立三維兩相流的PEMFC模型,模擬的結(jié)果表明初始厚度相對(duì)較厚的GDL可以承受更大的裝配壓力,但是電池的性能較差。較厚的膜材料會(huì)使得電池的性能下降,但是會(huì)使得陽(yáng)極CL的水含量升高。GDL傳輸參數(shù)的各