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质子交换膜燃料电池流道设计与流体管理

刘海超  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)能够通过电化学反应将化学能直接转化为电能,具有功率密度高、能量转换效率高、无污染、噪音低、启动迅速、工作温度低等优点,因而成为最有应用前景的一种电池。双极板是PEMFC的重要组成部分,其流道对于电池性能具有重要的影响。流道位于膜电极的两侧,燃料与氧化剂通过流道分布在膜电极的活性区内,通过气体扩散层向内扩散,并在催化剂层参与化学反应;阴极侧化学反应生成的水通过气体扩散层向外迁移,并通过流道排出。因此,流道具有分配反应物并排出多余液态水的作用。本文归纳总结了流道气体分配和排水两方面的国内外研究进展,并在此基础上,开展了流体管理研究。针对流道的气体分配作用,对传统平行流场与多蛇形流场进行改进,设计了建压式平行流场与脊下对流强化多蛇形流场,研究了建压式平行流场的气体分布均匀性增强机理以及脊下对流强化多蛇形流场的对流强化机理;针对流道的排水性能,创新设计了单蛇形流场与多蛇形流场的倾斜转角结构以及导流直流道结构,并研究了三种新型流道结构的水传输机理。本文主要研究工作及创新点如下:(1)平行流场的气体分布均匀性理论及其建压式增强方法研究通过理论计算发现,提高分流道压降的平均值可以提高平行流场的气体分布均匀性,据此创新设计了建压式平行流场结构,模拟研究了其对PEMFC内部传质及输出性能的影响,结果表明,建压式平行流场能够改善气体分布均匀性,其位于阴极侧时能够显著减弱高电流密度下的浓差极化现象,提高电池的输出性能;建压式平行流场的微流道尺寸越小,建压能力越强,气体分布均匀性越高,电池性能的提升越明显;当微流道尺寸为0.2 mm时,电池最大功率密度比传统平行流场提高22.8%,比蛇形流场低约10%,然而其压力损失仅为蛇形流场的3%。(2)多蛇形流场脊下对流强化方法及其对流传质机理研究脊下对流作用能改善气体扩散层的排水能力,并提高电池的输出性能。以多蛇形流场为基础,进行脊下对流强化方法的研究,创新设计了合并式与分离式两种对流强化多蛇形流场;数值模拟研究发现,两种对流强化多蛇形流场的相邻流道内存在明显高于传统多蛇形流场的压力梯度,强化了脊下对流作用,气体扩散层的排水性能得到大幅度提升,电池输出性能明显提高。(3)燃料电池测试平台搭建及单电池输出性能测试通过自主设计,搭建了燃料电池测试平台,并组装了单电池,测试了不同流场的性能,验证了建压式平行流场和对流强化多蛇形流场对电池性能提升的作用。氢气与空气流率对电池性能具有重要的影响,通过改变氢气与空气的流率,分析其对电池性能的影响规律,发现随着反应物供应流率的增加,电池性能得到提高并逐渐到达极限状态。(4)气体扩散层表面除水流道设计及其水传输机理研究亲水壁面有助于气体扩散层表面液态水的去除,但其毛细效应会降低流道内水传输的速率。为解决气体扩散层表面液态水去除和水传输效率相矛盾的问题,创新提出了疏水流道倾斜壁面除水方法,据此设计了分别适用于单蛇形流场与多蛇形流场的导流转角结构,以及适用于大多数流场的导流直流道结构;采用VOF(Volume-of-Fluid)模型对三种设计流道进行了数值模拟,结果表明,尽管采用疏水壁面,三种改进流道均可以有效去除气体扩散层表面的水,从而提高反应物向气体扩散层扩散的速率;同时,疏水壁面减弱了壁面粘滞作用,提高了水在流道内的传输效率,加快了水的排出;此外,流道结构尺寸、壁面接触角和气流速度等对水在流道内的运动行为也进行了部分分析研究。综上,本文针对PEMFC的流体管理问题,以流道结构为切入点,创新提出了平行流场气体分布均匀性的建压式增强方法,多蛇形流场的脊下对流强化方法以及疏水流道的倾斜壁面除水方法,对流道结构设计具有借鉴意义,有望在PEMFC的工业化中得到广泛应用。


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