PEMFC流場與電池性能的模擬研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(簡稱PEMFC)以其高效率、高能量密度、低污染等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是一種適合人類發(fā)展和環(huán)境要求的理想電源.流場板是PEMFC的重要部件,極大地影響電池的性能、運(yùn)行效率和制造成本.流場板的流道結(jié)構(gòu)基本組成要素為流道的長、寬、高和脊寬以及流道形式,本研究建立了不同的數(shù)學(xué)模型以深入研究電池內(nèi)部的傳遞過程以及諸要素因素對電池性能和效率的影響. 首先,利用Monte-Carlo法建立了3維格點(diǎn)模型,細(xì)致地描述了PEMFC催化層

2、復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu),此模型可以用來分析催化層各組分Pt/C、質(zhì)子導(dǎo)體以及氣孔對催化劑利用率的影響.另外,利用隨機(jī)行走的方法研究了氣體在催化層中的擴(kuò)散行為,為深入理解電池反應(yīng)和及提高PEMFC整體模型準(zhǔn)確性提供了新方法和結(jié)構(gòu)參數(shù). 其次,建立了流道和脊橫截面的2維兩相流數(shù)學(xué)模型(Cross-the-channelModel).模型描述了主要的傳遞和反應(yīng)過程,包括陰、陽兩極反應(yīng)氣的質(zhì)量傳遞、動量傳遞、電子和質(zhì)子的傳遞以及電化學(xué)反應(yīng)等過程

3、.此外模型還細(xì)致的描述了水(液態(tài)和氣態(tài))在擴(kuò)散層、催化層以及質(zhì)子交換膜中的傳遞過程,詳細(xì)地考察了流道和脊的寬度對電池性能的影響.研究發(fā)現(xiàn)水的傳遞對電池性能影響很大.模擬結(jié)果顯示,在膜電極面積一定的情況下,對于低增濕PEMFC而言,應(yīng)當(dāng)采用較薄的質(zhì)子交換膜,較寬的脊以增強(qiáng)保濕性能.而對于高增濕PEMFC而言,應(yīng)當(dāng)采用較窄的脊以提高反應(yīng)氣的傳質(zhì)性能. 第三,建立了改進(jìn)的沿流道模型(Along-the-channel Model),并

4、結(jié)合以流道橫截面模型建立了準(zhǔn)3維陰極流道模型.考察了各物理量沿流道長度方向的分布情況及其對電池性能的影響.模擬結(jié)果顯示,對于高增濕PEMFC而言,氧氣濃度、電流密度以及流速均沿流道長度方向逐漸降低.而對于低增濕PEMFC,氧氣流速會逐漸升高,電流密度呈先升高后降低的趨勢.通過對模擬結(jié)果的分析,提出了針對高增濕PEMFC的深度漸變流道設(shè)計(jì),以增強(qiáng)陰極排水能力.針對低增濕PEMFC,則提出了脊寬度漸變的流道設(shè)計(jì),以增強(qiáng)上游流道的保濕能力,同