質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部兩相流傳遞特性研究.pdf

1、隨著當今社會對環(huán)境和能源的日益重視以及傳統(tǒng)化石能源的消耗，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種高效、清潔、環(huán)境友好的發(fā)電裝置得到了廣泛的關注。它在航天、潛艇、移動電源、分散電站上都有著良好的應用前景，特別是在汽車工業(yè)中，它成為新一代汽車發(fā)動機的首選。目前各國政府和汽車制造商都投入了巨大的人力、財力進行研發(fā)。但是在大規(guī)模商用化以前，PEMFC的壽命和成本問題必須得到解決。在影響壽命的因素中，水的影響至關重要：一方面充足的水可以保證高的

2、質(zhì)子交換膜電導率；另一方面過多的液態(tài)水會淹沒電極中的反應氣體通道從而阻礙氣體傳質(zhì)，而且電極在液態(tài)水的浸泡下會發(fā)生性能損失(如憎水性)導致電極的壽命降低等。對質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部兩相流動行為進行模擬、分析可以從理論上描述質(zhì)子交換膜燃料電池的內(nèi)部運行情況，從而為優(yōu)化設計和操作、降低實驗成本、改善工況、提高壽命等奠定理論基礎，因而具有非常重要的實際意義。本文采用雙流體模型對質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的傳質(zhì)和兩相流動情況進行了模擬，并且采用分形的

3、方法對電池擴散層所用碳紙進行了描述，預測了擴散層用碳紙的滲透率及水的相對滲透率，同時制作了PEMFC單電池，對比了電池實驗性能和模型預測性能。 首先，采用雙流體模型描述質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部兩相流動情況，從而克服了混合模型不能描述液態(tài)水在擴散層表面形成液滴然后脫落的過程以及不能反映擴散層表面性質(zhì)對液態(tài)水排出影響的不足。在模型中還考慮了反應氣在質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的傳質(zhì)、催化層的電催化反應、催化層和質(zhì)子交換膜中的質(zhì)子守恒、陰極多

4、組分氣體擴散以及水在聚合物相內(nèi)的傳遞，氣相、液相和聚合物相之間的傳質(zhì)等。此外，本研究采用簡化的模型計算了擴散層表面液滴的脫離直徑。由計算結果可以得出：增大氣體速度，增大氣體粘度，增大氣體密度，增大擴散層表面的接觸角以及減小擴散層表面接觸角的滯后都會使擴散層表面液滴脫落直徑減小。 根據(jù)雙流體模型獲得了PEMFC各物質(zhì)濃度分布以及液態(tài)水飽和度分布等，主要考察了操作參數(shù)和結構參數(shù)對陰極兩相流行為及排水的影響，通過對結果分析可以得到如下

5、結論：(1)液態(tài)水在陰極擴散層中的飽和度大小由兩個過程控制：一是毛細管力驅(qū)動的液態(tài)水在擴散層內(nèi)的運動過程；二是由于氣體的拖帶引起的液滴在擴散層表面和流道內(nèi)的運動過程；(2)擴散層表面液滴脫落直徑越小則越有利于陰極液態(tài)水的排出；(3)PEMFC操作時，陰極氣體采用干空氣比采用加濕氣具有更強的拖帶液滴的能力。故從排水角度來講，陰極操作時使用干空氣不僅能加強液態(tài)水的蒸發(fā)，還能促進對液滴的拖帶作用。但使用干空氣時陰極的壓力降會增大，故干空氣操作

6、更適合于對壓力降無嚴格要求的加壓操作場合； (4)在相同的工作電流密度，相同的計量比下，采用常壓空氣比采用加壓空氣操作時陰極的排水效果要好，因而加壓操作場合對流道壁面的親水性質(zhì)要求就更高； (5)增大擴散層的接觸角不但會增強擴散層內(nèi)部排水，還會減小擴散層表面液滴的脫落直徑，從而改善陰極的水淹程度； (6)當擴散層表面孔的形狀為圓形時，擴散層表面液滴的脫落效果最好，最有利于提高排水效果。 其次，本文提出了預測憎水和親水兩種條件下碳

7、紙(TGP-H-120)的滲透率和水的相對滲透率的分形模型。模型中考慮了擴散層內(nèi)孔隙分維數(shù)、孔隙彎曲維數(shù)、最大孔徑、擴散層厚度、液態(tài)水飽和度以及親水孔比例等。模型中所用到的孔隙分維數(shù)和孔隙彎曲維數(shù)均根據(jù)碳紙的垂直和水平方向上的掃描電鏡圖片由盒子法確定。擴散層內(nèi)最大孔徑則由擴散層的工藝結構確定。采用分形方法得到的碳紙的滲透率和實驗結果之間吻合情況良好。分析相對滲透率的計算結果可以得到；當不考慮親水、憎水性質(zhì)對液態(tài)水在孔內(nèi)運動的影響時，采用

8、分形模型得到的液態(tài)水的相對滲透率與傳統(tǒng)的立方修正結果相近。 而當考慮親水、憎水性質(zhì)的影響時，采用分形方法預測的結果表明： (1)水在憎水擴散層中的相對滲透率大于其在親水擴散層中的相對滲透率； (2)從排水角度來講，PEMFC陰極采用憎水擴散層優(yōu)于采用親水擴散層； (3)PEMFC陽極采用親水擴散層或者具有一定比例親水孔的擴散層對PEMFC操作有利；(4)憎水情況下水的相對滲透率隨著彎曲維數(shù)的增大而增大，親水情況下水的相對滲透率隨