空氣自然對流式質(zhì)子交換膜燃料電池的性能分析和陰極流道開口率的優(yōu)化.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在常溫、常壓下工作，啟動快且功率密度高，以固體膜為電解質(zhì)，容易密封。因而既可用作固定電站，又是移動電源的最佳選擇，還可用于小型電子設(shè)備的動力源，是目前各國研究的熱點(diǎn)。小型化是質(zhì)子交換膜燃料電池替代普通電池成為小型電子設(shè)備的動力源的關(guān)鍵。本文的研究正是基于質(zhì)子交換膜燃料電池的小型化而展開的。 空氣自然對流式PEMFC是一種不需要空氣壓縮機(jī)和加濕器的質(zhì)子交換膜燃料電池，有效減小了電池的體積。引起空氣自

2、然對流式PEMFC整體性能下降的因素是多方面的，其中氧氣傳輸限制、膜含水量不足、流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等是引起其性能下降的重要因素。這些因素和電池內(nèi)部的流動、傳熱、傳質(zhì)的特性密切相關(guān)。因此對電池內(nèi)部的傳輸現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值和實(shí)驗(yàn)的研究，分析得到上述因素對電池性能影響的規(guī)律，進(jìn)而對流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后達(dá)到改善電池性能的目的。這一研究具有重要的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值。 本文建立了空氣自然對流式PEMFC的三維數(shù)學(xué)模型，模型得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的驗(yàn)

3、證。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果對電池內(nèi)部的傳輸現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析。分析表明：電池內(nèi)部的流動、傳熱、傳質(zhì)對電池的性能影響極大，而且這些傳輸特性之間存在極強(qiáng)的耦合作用。正確理解和分析這些現(xiàn)象，以及現(xiàn)象之間的關(guān)系，找到其影響電池性能的規(guī)律，是電池優(yōu)化設(shè)計(jì)的保障。三維計(jì)算模型可以方便地預(yù)測電池性能，作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。 首次利用氧氣傳輸?shù)臒o量綱系數(shù)和電流密度的關(guān)系來計(jì)算電池的極限電流密度，并通過對陰極流動、傳熱、傳質(zhì)的無量綱分析給出了氧氣傳輸?shù)?/p>

4、無量綱速率Sh數(shù)與自然對流的Gr數(shù)之間的擬合關(guān)系式。關(guān)系式揭示了空氣自然對流式PEMFC濃差極化的根本原因。 針對不同的陰極流道開口率和不同的極板脊的寬度，建立了數(shù)值計(jì)算模型。研究了陰極流道結(jié)構(gòu)對電池內(nèi)部傳輸及電池性能的影響。確立了該種電池設(shè)計(jì)下，優(yōu)化的陰極流道開口率為75.9％，陰極流道寬度為3mm，極板脊寬度為1mm。通過理論分析陰極流道對電池性能影響，對陰極流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則進(jìn)行了探討。 建立了測試空氣自然對流式P

5、EMFC的溫度及性能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算的電池性能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性。通過實(shí)驗(yàn)，還研究了空氣濕度對電池性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：空氣濕度對電池性能有著嚴(yán)重的影響。當(dāng)空氣濕度為53％時(shí)，電池內(nèi)的液態(tài)水傳輸幾乎可以忽略，電池性能的下降主要由膜電阻和氧氣傳輸不足造成；當(dāng)空氣濕度為77％時(shí)，電池內(nèi)液態(tài)水對氣體傳輸?shù)挠绊憳O大，在瞬態(tài)測試時(shí)，可以明顯發(fā)現(xiàn)隨著液態(tài)水的滴落，電池性能得到很大的提高。液態(tài)水阻礙氧