PEMFC的數(shù)值模擬及性能改進(jìn)的探索研究.pdf

1、近年來，環(huán)境惡化與能源匱乏問題日益嚴(yán)重，這使得綠色能源——?dú)淠艿拈_發(fā)利用和新型動力裝置燃料電池的研究呈現(xiàn)出巨大的吸引力。質(zhì)子交換膜燃料電池由于其工作溫度接近常溫、啟動迅速、無電解液溢漏腐蝕問題等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為燃料電池領(lǐng)域中研究的焦點(diǎn)。本論文主要研究了操作條件對PEMFC性能的影響；通過建立數(shù)學(xué)模型，利用流體力學(xué)計算軟件，對PEMFC進(jìn)行了數(shù)值模擬；嘗試性地利用離子液體對Nafion膜進(jìn)行改性研究，以期改善膜在高溫缺水狀況下的性能。

2、 論文研究了電池的操作溫度分別為323K、333K、343K、353K、363K和373K時電池的性能，結(jié)果表明：溫度對電池的性能影響特別明顯，在溫度低于343K時，動力學(xué)因素對電池性能的影響占主導(dǎo)地位，隨著溫度的提高，電化學(xué)反應(yīng)催化劑的催化活性大大提高，同時溫度升高增大了反應(yīng)物和生成物在電極內(nèi)部的擴(kuò)散速度，增加了質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，降低了電池的極化，因此電池的性能逐漸提高；但是當(dāng)溫度超過343K時，熱力學(xué)因素對電池性能的影響

3、逐步超過動力學(xué)因素的影響，電池的可逆電動勢下降，且溫度過高時質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性能急劇降低，導(dǎo)致電池的性能急劇下降。 論文研究了H2壓力固定為0．1MPa，空氣壓力分別為0．05MPa、0．11MPa、0．17MPa和空氣壓力固定為0．1MPa，H2壓力分別為0．08MPa、0．14MPa時電池的性能，結(jié)果表明：空氣壓力的提高可以明顯地改善電池性能，而H2壓力的變化對電池性能的影響很不明顯，說明陰極上的氧還原反應(yīng)是整個電池反應(yīng)

4、的速率控制步驟，提高空氣的壓力，增大氧氣的活性，就可以降低陰極的濃差極化，從而提高電池的性能。另外論文還研究了H2流量固定為5mL/s，空氣流量分別為10mL/s、15mL/s、20mL/s和空氣流量固定為15mL/s，H2流量分別為5mL/s、10mL/s、15mL/s時電池的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PEMFC的淹沒現(xiàn)象主要存在于陰極，增大空氣流量可以加速陰極反應(yīng)生成的水的排出，提高陰極的催化劑的利用率和擴(kuò)散層的有效孔隙率，使PEMFC性能得

5、到提高，而H2的流量對電池性能影響不大。因此優(yōu)化陰極多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，降低陰極的極化效應(yīng)是提高電池性能的關(guān)鍵。 論文利用流體力學(xué)計算軟件中的PEMFC模塊，模擬了操作壓力為0．1MPa、H2流量為5ml/s、空氣流量為15ml/s、溫度分別為323K、343K、363K時電池的性能，通過對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：（1）在電池內(nèi)氣體的壓力梯度主要分布在氣體流道內(nèi)，沿著流道的方向壓力梯度變化較大，而在電池的擴(kuò)散層內(nèi)傳質(zhì)阻力比較小，

6、壓力變化也不大，因此擴(kuò)散層和催化層內(nèi)氣體的傳遞主要以沿著垂直于流道方向從流道擴(kuò)散進(jìn)催化層。（2）電池內(nèi)速度主要分布在流道內(nèi)，而在多孔介質(zhì)的擴(kuò)散層和催化層內(nèi)速度迅速下降，這是擴(kuò)散層的傳質(zhì)阻力造成的。陰、陽兩極多孔介質(zhì)內(nèi)的流線都呈拋物線狀，在陽極，靠近氣體入口的地方有氣體從擴(kuò)散層內(nèi)流出，這是未反應(yīng)的氣體傳遞出來；而在距離入口較遠(yuǎn)的地方，氣體向催化層擴(kuò)散，這是由于催化層內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致氣體濃度減小所致。在陰極，距離氣體入口較遠(yuǎn)的地方，流線指向

7、氣體流道，這是反應(yīng)生成的水和未反應(yīng)的氣體擴(kuò)散出來。這樣的流動方式有利于電池內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。（3）在電池的歐姆極化中質(zhì)子交換膜的電阻引起的歐姆極化占主導(dǎo)地位，而陰極的活化極化在所有的極化中占的比例最大，是電池內(nèi)極化效應(yīng)最嚴(yán)重的區(qū)域。因此在PEMFC的設(shè)計過程中，降低質(zhì)子交換膜的歐姆電阻，改善陰極催化層和擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，是改善電池性能的兩個主要途徑。 本論文中通過靜置法將兩種離子液體負(fù)載到Nafion膜上，以期使膜能夠在溫度高于3