质子交换膜燃料电池内部两相流传递特性研究

何广利  

【摘要】： 随着当今社会对环境和能源的日益重视以及传统化石能源的消耗，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效、清洁、环境友好的发电装置得到了广泛的关注。它在航天、潜艇、移动电源、分散电站上都有着良好的应用前景，特别是在汽车工业中，它成为新一代汽车发动机的首选。目前各国政府和汽车制造商都投入了巨大的人力、财力进行研发。但是在大规模商用化以前，PEMFC的寿命和成本问题必须得到解决。在影响寿命的因素中，水的影响至关重要：一方面充足的水可以保证高的质子交换膜电导率；另一方面过多的液态水会淹没电极中的反应气体通道从而阻碍气体传质，而且电极在液态水的浸泡下会发生性能损失(如憎水性)导致电极的寿命降低等。对质子交换膜燃料电池内部两相流动行为进行模拟、分析可以从理论上描述质子交换膜燃料电池的内部运行情况，从而为优化设计和操作、降低实验成本、改善工况、提高寿命等奠定理论基础，因而具有非常重要的实际意义。本文采用双流体模型对质子交换膜燃料电池内部的传质和两相流动情况进行了模拟，并且采用分形的方法对电池扩散层所用碳纸进行了描述，预测了扩散层用碳纸的渗透率及水的相对渗透率，同时制作了PEMFC单电池，对比了电池实验性能和模型预测性能。 首先，采用双流体模型描述质子交换膜燃料电池内部两相流动情况，从而克服了混合模型不能描述液态水在扩散层表面形成液滴然后脱落的过程以及不能反映扩散层表面性质对液态水排出影响的不足。在模型中还考虑了反应气在质子交换膜燃料电池内部的传质、催化层的电催化反应、催化层和质子交换膜中的质子守恒、阴极多组分气体扩散以及水在聚合物相内的传递，气相、液相和聚合物相之间的传质等。此外，本研究采用简化的模型计算了扩散层表面液滴的脱离直径。由计算结果可以得出：增大气体速度，增大气体粘度，增大气体密度，增大扩散层表面的接触角以及减小扩散层表面接触角的滞后都会使扩散层表面液滴脱落直径减小。根据双流体模型获得了PEMFC各物质浓度分布以及液态水饱和度分布等，主要考察了操作参数和结构参数对阴极两相流行为及排水的影响，通过对结果分析可以得到如下结论：(1)液态水在阴极扩散层中的饱和度大小由两个过程控制：一是毛细管力驱动的液态水在扩散层内的运动过程；二是由于气体的拖带引起的液滴在扩散层表面和流道内的运动过程；(2)扩散层表面液滴脱落直径越小则越有利于阴极液态水的排出；(3)PEMFC操作时，阴极气体采用干空气比采用加湿气具有更强的拖带液滴的能力。故从排水角度来讲，阴极操作时使用干空气不仅能加强液态水的蒸发，还能促进对液滴的拖带作用。但使用干空气时阴极的压力降会增大，故干空气操作更适合于对压力降无严格要求的加压操作场合；(4)在相同的工作电流密度，相同的计量比下，采用常压空气比采用加压空气操作时阴极的排水效果要好，因而加压操作场合对流道壁面的亲水性质要求就更高；(5)增大扩散层的接触角不但会增强扩散层内部排水，还会减小扩散层表面液滴的脱落直径，从而改善阴极的水淹程度；(6)当扩散层表面孔的形状为圆形时，扩散层表面液滴的脱落效果最好，最有利于提高排水效果。 其次，本文提出了预测憎水和亲水两种条件下碳纸(TGP-H-120)的渗透率和水的相对渗透率的分形模型。模型中考虑了扩散层内孔隙分维数、孔隙弯曲维数、最大孔径、扩散层厚度、液态水饱和度以及亲水孔比例等。模型中所用到的孔隙分维数和孔隙弯曲维数均根据碳纸的垂直和水平方向上的扫描电镜图片由盒子法确定。扩散层内最大孔径则由扩散层的工艺结构确定。采用分形方法得到的碳纸的渗透率和实验结果之间吻合情况良好。分析相对渗透率的计算结果可以得到：当不考虑亲水、憎水性质对液态水在孔内运动的影响时，采用分形模型得到的液态水的相对渗透率与传统的立方修正结果相近。而当考虑亲水、憎水性质的影响时，采用分形方法预测的结果表明：(1)水在憎水扩散层中的相对渗透率大于其在亲水扩散层中的相对渗透率；(2)从排水角度来讲，PEMFC阴极采用憎水扩散层优于采用亲水扩散层；(3)PEMFC阳极采用亲水扩散层或者具有一定比例亲水孔的扩散层对PEMFC操作有利；(4)憎水情况下水的相对渗透率随着弯曲维数的增大而增大，亲水情况下水的相对渗透率随弯曲维数增大而减小；(5)从碳纸结构设计的角度来讲，符合分形特征的孔径分布比均匀的孔径分布更能适合PEMFC的需要。

【关键词】：质子交换膜燃料电池 双流体模型 两相流 分形 数值模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM911.4
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.207297
【目录】：

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