PEMFC的數值模擬及性能改進的探索研究.pdf

1、近年來，環(huán)境惡化與能源匱乏問題日益嚴重，這使得綠色能源——氫能的開發(fā)利用和新型動力裝置燃料電池的研究呈現出巨大的吸引力。質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，近年來成為燃料電池領域中研究的焦點。本論文主要研究了操作條件對PEMFC性能的影響；通過建立數學模型，利用流體力學計算軟件，對PEMFC進行了數值模擬；嘗試性地利用離子液體對Nafion膜進行改性研究，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，動力學因素對電池性能的影響占主導地位，隨著溫度的提高，電化學反應催化劑的催化活性大大提高，同時溫度升高增大了反應物和生成物在電極內部的擴散速度，增加了質子交換膜的質子傳導性能，降低了電池的極化，因此電池的性能逐漸提高；但是當溫度超過343K時，熱力學因素對電池性能的影響

3、逐步超過動力學因素的影響，電池的可逆電動勢下降，且溫度過高時質子交換膜的質子傳導性能急劇降低，導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是整個電池反應

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，結果發(fā)現：PEMFC的淹沒現象主要存在于陰極，增大空氣流量可以加速陰極反應生成的水的排出，提高陰極的催化劑的利用率和擴散層的有效孔隙率，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)化陰極多孔介質的結構，降低陰極的極化效應是提高電池性能的關鍵。 論文利用流體力學計算軟件中的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，通過對數值模擬的結果進行分析發(fā)現：（1）在電池內氣體的壓力梯度主要分布在氣體流道內，沿著流道的方向壓力梯度變化較大，而在電池的擴散層內傳質阻力比較小，

6、壓力變化也不大，因此擴散層和催化層內氣體的傳遞主要以沿著垂直于流道方向從流道擴散進催化層。（2）電池內速度主要分布在流道內，而在多孔介質的擴散層和催化層內速度迅速下降，這是擴散層的傳質阻力造成的。陰、陽兩極多孔介質內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散層內流出，這是未反應的氣體傳遞出來；而在距離入口較遠的地方，氣體向催化層擴散，這是由于催化層內電化學反應導致氣體濃度減小所致。在陰極，距離氣體入口較遠的地方，流線指向

7、氣體流道，這是反應生成的水和未反應的氣體擴散出來。這樣的流動方式有利于電池內電化學反應的進行。（3）在電池的歐姆極化中質子交換膜的電阻引起的歐姆極化占主導地位，而陰極的活化極化在所有的極化中占的比例最大，是電池內極化效應最嚴重的區(qū)域。因此在PEMFC的設計過程中，降低質子交換膜的歐姆電阻，改善陰極催化層和擴散層的結構，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載到Nafion膜上，以期使膜能夠在溫度高于3