無增濕質(zhì)子交換膜燃料電池水傳輸研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)動(dòng)力系統(tǒng)高效、清潔、環(huán)境友好，成為內(nèi)燃機(jī)最有力的競(jìng)爭(zhēng)者，被認(rèn)為是最有潛力的動(dòng)力裝置之一。質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，增濕技術(shù)更是其中的關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化電池內(nèi)部水的運(yùn)動(dòng)可以降低電池對(duì)增濕的要求，達(dá)到無增濕的目的。本文圍繞擬采取的無增濕技術(shù)，采用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部水傳輸和分布進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)適用于無增濕質(zhì)

2、子交換膜燃料電池的保水層，并研究其保水性能。
　　 首先，結(jié)合電池工作中的傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)建立了PEMFC沿流道方向的兩相二維穩(wěn)態(tài)模型。模型綜合考慮了電池中的動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒和電荷守恒，以及催化層中的電化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散層中水的相變。通過比較模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型。采用所建模型研究了操作條件(電流密度和進(jìn)氣相對(duì)濕度)對(duì)電池內(nèi)部水傳輸和分布的影響。計(jì)算分析表明：(1)隨著電流密度的增加，膜中水的擴(kuò)散作用和電滲作用都加強(qiáng)，

3、電滲作用較擴(kuò)散作用增強(qiáng)得快，使水從陽(yáng)極向陰極的凈遷移增強(qiáng)。膜的陰極側(cè)含水量逐漸增大，陽(yáng)極側(cè)逐漸減小。陰極側(cè)擴(kuò)散層的液態(tài)水飽和度逐漸增大，液態(tài)水增多，而陽(yáng)極液態(tài)水逐漸減少，并且在大電流密度下幾乎沒有液態(tài)水存在。(2)保持陰極進(jìn)氣飽和加濕，降低陽(yáng)極進(jìn)氣的濕度使電池性能下降，特別是在歐姆極化階段。保持陽(yáng)極進(jìn)氣飽和加濕，適當(dāng)?shù)慕档完帢O進(jìn)氣濕度(RH=75％)可以提高電池工作的性能。為了保證質(zhì)子交換膜燃料電池在較好的工況下運(yùn)行，對(duì)電池進(jìn)氣進(jìn)行增濕

4、是非常有必要的。
　　 其次，采用所建模型研究了擴(kuò)散層的特性參數(shù)(孔隙率、厚度、平均孔徑和親水性)對(duì)電池性能和保水性能的影響，結(jié)果表明：(1)在兩極進(jìn)氣均飽和增濕的條件下，擴(kuò)散層的孔隙率越大，厚度越薄，平均孔徑越小，疏水性越強(qiáng)，電池的性能越好，特別在高的電流密度下。微孔層起到排水作用，有利于提高電池性能。(2)在低增濕條件下，擴(kuò)散層孔隙率越小，厚度越大，平均孔徑越小，親水性越強(qiáng)，對(duì)增強(qiáng)電池的保水性能越好。
　　 最后，在

5、上述研究的基礎(chǔ)上，為了在電池內(nèi)保持住反應(yīng)生成的水使膜濕潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)PEMFC的無增濕操作，提出在陰極的微孔層和擴(kuò)散層之間增加保水層，并采用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和模擬研究方法，確定了保水層的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過模型計(jì)算，分析比較帶有保水層的電池內(nèi)水傳輸和分布情況。研究結(jié)果表明：(1)在孔隙率為0.4、厚度為100μm、平均孔徑為10μm、親水孔所占比率為60％時(shí)，帶有保水層的電池在低增濕條件下性能最佳；(2)保水層能保持住電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水，這對(duì)