質(zhì)子交換膜燃料電池性能仿真與水管理的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、汽車工業(yè)的快速發(fā)展改善了人們的生活水平，但也帶來了石油需求激增和環(huán)境惡化問題。要走出這種尷尬的困境，主要有兩條途徑：一是通過采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)、燃料技術(shù)以及后處理技術(shù)改造傳統(tǒng)汽車，制定更加嚴(yán)格的汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；二是發(fā)展新能源汽車。從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益看，發(fā)展新能源汽車是解決這些問題的有效途徑，尤其是立足于氫能基礎(chǔ)上的燃料電池汽車日益引起人們的關(guān)注。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因其自身特點(diǎn)，特別適用于燃料電池汽車。本文針對(duì)目前對(duì)PEMFC研

2、究的一些不足，采用數(shù)值仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)平行流場(chǎng)和交指流場(chǎng)PEMFCs進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真分析研究和水管理的實(shí)驗(yàn)研究。 ⑴建立真實(shí)性得以改善的PEMFC三維、兩相、非等溫的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用到平行流場(chǎng)和交指流場(chǎng)PEMFCs的系統(tǒng)仿真工作中。把高靈敏度的雙平行電導(dǎo)探針成功應(yīng)用于PEMFC流道內(nèi)氣液兩相流流型研究工作中。提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池-內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算。 ⑵建立了包括PEMF

3、C陰極/陽極側(cè)流道和擴(kuò)散層、催化層以及質(zhì)子交換膜在內(nèi)的三維、兩相、非等溫?cái)?shù)學(xué)模型。通過自定義程序，把所建立的模型耦合到計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件中進(jìn)行求解，對(duì)基本工況下平行流場(chǎng)PEMFC包括陰/陽極側(cè)流道在內(nèi)的全流場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。說明建立的模型及其求解技術(shù)可以仿真不同工況下平行流場(chǎng)和交指流場(chǎng)PEMFCs內(nèi)部相互耦合的三維、兩相物質(zhì)的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和電化學(xué)特性。該模型同時(shí)考慮了包括PEMFC陰極/陽極側(cè)流道

4、和氣體擴(kuò)散層、催化層以及質(zhì)子交換膜在內(nèi)的三維特性、兩相特性和非等溫特性，仿真真實(shí)性得以改善。 ⑶PEMFC的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式對(duì)其內(nèi)部物質(zhì)傳質(zhì)機(jī)理、進(jìn)而對(duì)其電化學(xué)特性、極限電流密度及輸出性能都有重要影響。通過求解建立的數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)平行流場(chǎng)和交指流場(chǎng)PEMFCs包括陰/陽極側(cè)流道在內(nèi)的全流場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算。仿真研究了平行流場(chǎng)和交指流場(chǎng)PEMFCs內(nèi)部的三維、兩相流動(dòng)與傳輸現(xiàn)象、電池性能及其影響因素。通過仿真研究揭示了平行流場(chǎng)和交指流

5、場(chǎng)PEMFCs流道和氣體擴(kuò)散層中的速度場(chǎng)分布、電池的溫度場(chǎng)分布、流道中的壓力場(chǎng)分布、陰極流道和氣體擴(kuò)散層中的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、陽極流道和氣體擴(kuò)散層中的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、流道和氣體擴(kuò)散層中的氣態(tài)水和液態(tài)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、質(zhì)子交換膜中凈水傳遞系數(shù)和水含量分布、電池過電勢(shì)分布和電流密度分布，通過對(duì)上述各參數(shù)分布的詳細(xì)分析，增進(jìn)了對(duì)電池內(nèi)部物理現(xiàn)象的理解。分析了陰極氧化劑種類、流道進(jìn)氣速度、流道出口壓力、質(zhì)子交換膜厚度和流道筋寬對(duì)平行流場(chǎng)和交指

6、流場(chǎng)PEMFCs性能的影響，比較了這些影響因素對(duì)平行流場(chǎng)和交指流場(chǎng)PEMFCs性能影響的程度，并把包括流場(chǎng)流型在內(nèi)的PEMFC性能影響因素進(jìn)行了排序，排序結(jié)果由大到小為：氧化劑種類、流場(chǎng)流型、流道出口壓力、流道進(jìn)氣速度、流道筋寬、質(zhì)子交換膜厚度。用交指流場(chǎng)代替平行流場(chǎng)、陰極使用氧氣代替空氣作為氧化劑、提高反應(yīng)氣體進(jìn)氣速度和流道出口壓力、減小質(zhì)子交換膜厚度以及流道筋寬都可以不同程度地提高.PEMFC的輸出性能。分析研究表明，交指流場(chǎng)PEM

7、FC的性能整體上優(yōu)于平行流場(chǎng)PEMFC。數(shù)值仿真結(jié)果表明，建立的數(shù)學(xué)模型能夠?yàn)镻EMFC提供詳細(xì)的三維、兩相、非等溫的流動(dòng)和傳輸參數(shù)分布和電化學(xué)性能分布：能夠?qū)﹄姵氐脑O(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。用三維、兩相、非等溫的數(shù)學(xué)模型對(duì)交指流場(chǎng)PEMFC進(jìn)行系統(tǒng)的仿真研究尚屬首次。 ⑷氣液兩相流流動(dòng)是低溫PEMFC運(yùn)行中的一個(gè)普遍現(xiàn)象。而關(guān)于PEMFC內(nèi)部工質(zhì)兩相流流動(dòng)的研究很少，主要使用的研究方法為“可視化攝像”，但這種方法不能對(duì)PEMFC

8、堆中不靠近陰極端板的電池單體進(jìn)行研究。根據(jù)PEMFC運(yùn)行時(shí)陰極氣體和水的流量，自行設(shè)計(jì)了陰極仿真流道實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以“可視化攝像”方法為輔助，將高靈敏度的雙平行電導(dǎo)探針流型測(cè)試技術(shù)成功應(yīng)用于PEMFC流道內(nèi)氣液兩相流流型研究。研究結(jié)果表明：PEMFC仿真流道氣液兩相流流型雙平行電導(dǎo)探針測(cè)試系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)都可以判斷其中出現(xiàn)的活塞流和環(huán)狀流，而雙平行電導(dǎo)探針測(cè)試系統(tǒng)還可以把環(huán)狀流分為三類。此探針測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)PEMFC堆中不靠近陰極端板的電池單體

9、進(jìn)行流型研究。這兩個(gè)流型測(cè)試系統(tǒng)以探針測(cè)試系統(tǒng)為主，以攝像系統(tǒng)為輔，相互驗(yàn)證，增加了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。PEMFC仿真流道中的典型流型包括活塞流、有較大液膜波動(dòng)的環(huán)狀流、有較小液膜波動(dòng)的環(huán)狀流和沒有液膜波動(dòng)的環(huán)狀流，隨著液體折算速度的增加，液塞出現(xiàn)的頻率增大，液膜波動(dòng)的頻率增大。以氣體折算速度為橫坐標(biāo)，液體折算速度為縱坐標(biāo)，得到PEMFC流道中的流型圖。此圖可以用來預(yù)測(cè)不同運(yùn)行條件下PEMFC流道中的氣液兩相流流型。本文PEMFC運(yùn)行條件下，

10、所產(chǎn)生的氣液兩相流流型均為有較小液膜波動(dòng)的環(huán)狀流，隨著電流密度的增大，液膜波動(dòng)頻率增大；在同一電流密度情況下，隨著位置靠近流道出口，液膜波動(dòng)頻率增大。 ⑸根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)，提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池.內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用質(zhì)子交換膜燃料電池和內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)大巴，同時(shí)燃?xì)饪照{(diào)機(jī)為大巴提供冷風(fēng)/熱風(fēng)，并對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了物質(zhì)平衡計(jì)算和熱平衡計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，該系統(tǒng)的總效率可達(dá)50％以上，高于目前內(nèi)燃機(jī)的效率，且此系統(tǒng)可以