質(zhì)子交換膜燃料電池中水傳輸機理研究.pdf

1、本文首先分析質(zhì)子交換膜燃料電池催化層三相通道微觀結(jié)構(gòu)及其間發(fā)生的電化學反應(yīng)，研究水在催化層、擴散亞層、擴散層等多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)部件的生成、輸運、相變條件，考慮了材料疏水性、親水性及微孔尺寸對水蒸汽飽和壓力的影響。認為電化學反應(yīng)生成的水開始應(yīng)該是氣態(tài)，在傳輸中可能成為液態(tài)。材料親、疏水性和孔徑對飽和蒸汽壓力有巨大的影響，據(jù)此提出了相變模型。 隨后根據(jù)多孔介質(zhì)的UFT(UnsaturatedFlowTheory)模型，導出了一維的梯度擴

2、散層液態(tài)水相飽和度分布方程、液態(tài)水流量方程、液態(tài)水殘留量方程、氣體擴散因子方程。以此為基礎(chǔ)，計算了不同孔隙結(jié)構(gòu)的擴散層的相飽和度分布、液態(tài)水殘留量、液態(tài)水排量和有效氣體擴散因子，得到了一些有意義的結(jié)論。隨后基于Fluent(ProtonExchangeMembrane)PEM模塊，考慮反應(yīng)氣體加濕、電化學反應(yīng)、相變等因素的影響，計算了燃料電池擴散層中水的傳輸和分布狀態(tài)。最后對梯度擴散層的爆破壓力和凝結(jié)相飽和度進行了測試，定性的印證了理論

3、計算的正確性。 對于氣體流道中液態(tài)水的傳輸，本文首次考慮構(gòu)成流道壁面的擴散層和石墨板的疏水性和親水性作用，利用VOF(VolumeOfFlow)模型，模擬了不同風速下直流道和蛇型流道中液態(tài)水的運動特征。先比較詳細研究了微流動中表面張力、壁面粘性力、氣體慣性力等對液態(tài)運動狀態(tài)影響的判斷準則數(shù)；根據(jù)計算條件，認為表面張力對液態(tài)水運動有重要影響，進而確定以We數(shù)(同時也考慮風速)的變化來考察液態(tài)水的運動狀態(tài)。之后分析了液態(tài)水滴和水膜在

4、直流道和蛇型流道中在4種We數(shù)下的運動狀態(tài)計算結(jié)果。結(jié)果表明，GDL(GasDiffusionLayer)的疏水性、石墨板流道的親水性對液態(tài)水在流道中的運動起著重要作用；在所計算的條件下，We數(shù)大于4.4(或氣流速度低于4m/s)時，表面張力和壁面粘性力的影響對液態(tài)水的運動起主要作用，石墨板的親水性具有重要作用；We數(shù)小于4.4(或氣流速度高于4m/s)時，慣性力的影響對液態(tài)水的運動起主要作用；石墨板流道的親水性可以將擴散層表面的液態(tài)水

5、“吸附”到石墨板壁面上，有利于氧氣經(jīng)擴散層向催化層擴散，因而對電池的性能產(chǎn)生影響；考慮到壁面改性應(yīng)該有利于液態(tài)水的排出和氧氣的擴散，碳紙應(yīng)該盡可能疏水而碳板應(yīng)該適當?shù)挠H水。高速時液態(tài)水容易排出，和蛇型流道比較，直流道中的液態(tài)水更容易排出。 質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池中的關(guān)鍵部件之一，它穩(wěn)定正常工作需要有足夠的水份，使其處于潤濕狀態(tài)。就目前的電池結(jié)構(gòu)和材料性能，依靠催化層的電化學反應(yīng)所產(chǎn)生的水只能給膜提供部分水份，其余的部分必

6、須通過外部加濕補充。這樣燃料電池必須配備加濕系統(tǒng)，更為主要的是，在膜得到潤濕的同時，催化層、擴散層和氣體流道常常產(chǎn)生水堵，影響氣體的擴散，降低電池的性能。因此充分利用電化學反應(yīng)所產(chǎn)生的水，使膜得到足夠的潤濕，即所謂的自加濕，成為一個具有重要意義的研究方向。本文從膜的厚度變化著手，對膜的自潤濕相關(guān)問題進行研究。得到的結(jié)論認為，在一定的操作條件下，膜的自潤濕狀態(tài)和膜的厚度極其相關(guān)；在膜過厚時，陰極反應(yīng)生成的水難以擴散至陽極，因而被陰極流道氣

7、體帶走的水較多，膜陽極嚴重缺水。膜越薄則整膜越容易潤濕。在保持膜的陰極側(cè)為潤濕狀態(tài)下，一定厚度的膜溫度相同時，電流密度越低，膜的潤濕狀況越好，因為電拖減少，擴散系數(shù)相對增加。在保持膜的陰極側(cè)為潤濕狀態(tài)下，電流密度相同時，溫度越高，膜的潤濕狀況越好，因為擴散系數(shù)增加了。但在電池中溫度增加時水容易汽化，因此膜陰極側(cè)難以保持潤濕狀態(tài)。增加擴散層厚度、使陰陽極流道氣體逆向流動，可以在一定程度上提高膜的自潤濕狀態(tài)。在所計算的膜厚條件下，3μm和5