質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)傳輸特性的研究.pdf

1、PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells，質(zhì)子交換膜燃料電池)被廣泛的認(rèn)為是未來最有發(fā)展前途的清潔能源，尤其適用于移動的電子產(chǎn)品以及汽車等。大多數(shù)關(guān)于PEMFC數(shù)值模擬的研究關(guān)注于其在穩(wěn)定狀態(tài)下的特征，只有很少的是直接研究瞬態(tài)過程的。本文主要是分析PEMFC的瞬態(tài)傳輸過程。
　　 本文通過建立二維兩相非等溫的PEMFC瞬態(tài)模型研究了電池內(nèi)部的瞬態(tài)傳輸特性。穩(wěn)態(tài)的模擬結(jié)果表明在催化

2、層內(nèi)的活化過電勢，各物質(zhì)反應(yīng)程度分布不均勻；膜的潤濕程度對于PEMFC的瞬態(tài)性能有著很大的影響；熱量傳遞由于與電化學(xué)過程和物系的傳輸，特別是水的傳輸和水的相變過程有著緊密地聯(lián)系，因此也直接影響PEMFC的性能，另外通過模型還分析了PEMFC的動態(tài)特性，主要是在極板電壓以及進(jìn)氣濕度發(fā)生突變的條件下，反應(yīng)物的濃度以及電流密度在沿PEMFC厚度方向和垂直于厚度方向的動態(tài)反應(yīng)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)流道下面區(qū)域的動態(tài)特性要好于脊部下面區(qū)域，對外部環(huán)境突變

3、的反應(yīng)更加迅速。本文還研究了氣體擴(kuò)散層孔隙率，流道/脊部的比例等PEMFC的物理化學(xué)特征對PEMFC傳輸過程的影響，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了相對較大的孔隙率，較寬的流道尺寸，較高的進(jìn)氣相對濕度以及較薄的質(zhì)子交換膜有助于優(yōu)化PEMFC內(nèi)部的物質(zhì)傳輸過程，從而得到更好的瞬態(tài)性能。
　　 本文還通過運用交流阻抗法，通過垂直和水平方向兩電極測試法測定了不同厚度的Nafion膜(Nafion(R)112，Nafion(R)115以及Nafion

4、(R)117)在飽和濕度情況下的不同溫度以及相同溫度下的不飽和濕度的電導(dǎo)率，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)膜的電導(dǎo)率隨著溫度的上升而增加，隨著相對濕度的上升而增加并且隨著厚度的增大而增加，同時定性驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　 本文最后部分建立了PEMFC的性能測試系統(tǒng)，測試了不同的溫度，進(jìn)氣壓力，進(jìn)氣相對濕度等操作條件的改變對PEMFC工作性能的影響，并且通過極化曲線和功率曲線找到PEMFC工作的最優(yōu)條件，同時也定性驗證了數(shù)值模擬的結(jié)果的準(zhǔn)