質(zhì)子交換膜燃料電池傳輸現(xiàn)象動(dòng)態(tài)特征研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、低溫啟動(dòng)和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，所以是目前最有希望應(yīng)用于便攜式電源、小型固定發(fā)電站、電動(dòng)汽車等交通工具的動(dòng)力電源，市場(chǎng)前景相當(dāng)可觀。而目前的燃料電池還處于研究階段，它的一些機(jī)理和關(guān)鍵問(wèn)題還沒有解決。 本文針對(duì)燃料電池內(nèi)部的傳輸現(xiàn)象，通過(guò)計(jì)算流體軟件Fluent對(duì)電池內(nèi)部傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)特征進(jìn)行模擬與分析。首先，描述了質(zhì)子交換膜燃料電池的動(dòng)態(tài)傳輸數(shù)學(xué)模型，包括流動(dòng)、傳質(zhì)與傳熱、電化學(xué)反應(yīng)和水傳遞

2、等模型。然后，建立了一個(gè)直流道的燃料電池單電池幾何模型，運(yùn)用Fluent軟件的PEM模塊對(duì)其進(jìn)行模擬分析，分別研究了電流密度和反應(yīng)氣體濕度變化對(duì)質(zhì)子交換膜中水的動(dòng)態(tài)傳輸?shù)挠绊?。結(jié)果表明，質(zhì)子交換膜中水的動(dòng)態(tài)傳輸大約需要10s達(dá)到平衡；當(dāng)質(zhì)子交換膜吸水時(shí)，電流密度大約需要10s達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)子交換膜失水時(shí)，電流密度大約需要40s達(dá)到穩(wěn)定。 隨后，建立了一個(gè)對(duì)燃料電池內(nèi)部傳質(zhì)、傳熱具有典型特征的蛇形流場(chǎng)單電池幾何模型，研究了質(zhì)子交換

3、膜燃料電池的動(dòng)態(tài)傳輸特征及各因素的關(guān)聯(lián)作用。結(jié)果表明，在反應(yīng)氣體加濕的情況下，陽(yáng)極氫氣的平衡時(shí)間為0.5～0.7s，而陰極氧氣只需要0.3～0.5s；膜中水的平衡時(shí)間較氣體的平衡時(shí)間則緩慢很多，約為10s；在過(guò)量系數(shù)大于1、反應(yīng)氣體濕度較高的情況下，電流密度的超調(diào)是氧氣濃度的下降造成的，而氧氣濃度的下降是因?yàn)楦唠娏髅芏认滤疂舛鹊纳咭鸬?。過(guò)量系數(shù)、操作溫度、膜厚等參數(shù)均影響電流密度的超調(diào)。過(guò)量系數(shù)越大、操作溫度越高、膜越厚，電流密度的