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质子交换膜燃料电池传输现象动态特征研究

张永生  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池具有功率密度高、能量转换效率高、低温启动和无污染等优点,所以是目前最有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源,市场前景相当可观。而目前的燃料电池还处于研究阶段,它的一些机理和关键问题还没有解决。 本文针对燃料电池内部的传输现象,通过计算流体软件Fluent对电池内部传输的动态特征进行模拟与分析。首先,描述了质子交换膜燃料电池的动态传输数学模型,包括流动、传质与传热、电化学反应和水传递等模型。然后,建立了一个直流道的燃料电池单电池几何模型,运用Fluent软件的PEM模块对其进行模拟分析,分别研究了电流密度和反应气体湿度变化对质子交换膜中水的动态传输的影响。结果表明,质子交换膜中水的动态传输大约需要10s达到平衡;当质子交换膜吸水时,电流密度大约需要10s达到稳定;当质子交换膜失水时,电流密度大约需要40s达到稳定。 随后,建立了一个对燃料电池内部传质、传热具有典型特征的蛇形流场单电池几何模型,研究了质子交换膜燃料电池的动态传输特征及各因素的关联作用。结果表明,在反应气体加湿的情况下,阳极氢气的平衡时间为0.5~0.7s,而阴极氧气只需要0.3~0.5s:膜中水的平衡时间较气体的平衡时间则缓慢很多,约为10s:在过量系数大于1、反应气体湿度较高的情况下,电流密度的超调是氧气浓度的下降造成的,而氧气浓度的下降是因为高电流密度下水浓度的升高引起的。过量系数、操作温度、膜厚等参数均影响电流密度的超调。过量系数越大、操作温度越高、膜越厚,电流密度的超调量越小。测试结果中,电流密度的稳定时间是模拟的3倍左右;电流密度的超调量只有模拟的25%左右。计算机模拟的结果与实验测试的结果趋势一致。 本文通过研究质子交换膜中水的动态传输、质子交换膜燃料电池的动态传输特征及各因素的关联作用和电流/电压瞬态过程实验测试来研究质子交换膜燃料电池的动态传输特征,文章对于燃料电池系统的设计和控制具有一定的指导意义。


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