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夹紧力变化对质子交换膜燃料电池性能影响的研究

周怡博  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)具有能量转换效率高、工作温度低、功率密度高、启动快、对环境友好等优点,是内燃机最有力的竞争者,被广泛的认为是未来最有发展前途的清洁能源,尤其是适用于便携式电源、移动的电子产品、小型固定发电站以及汽车等但是由于在PEMFC的工作过程中涉及到多组分气体的传输和多相流动等一些相互耦合的复杂的物理化学现象,而且由于燃料电池的尺寸限制和复杂结构,目前通过实验手段获得电池内部的数据的详细分布比较困难因此,对PEMFC的数值模拟仿真技术作为对实验的必要补充,就具有了重要的工程和学术意义 首先,本文通过建立PEMFC的性能测试系统,对自行组装的燃料电池进行了不同操作条件下的性能测试实验结果证明,提高反应气体的工作压力、升高反应气体的温度、增加反应气体的进气湿度以及提高极板两端的夹紧力对于改善燃料电池的工作性能都有着显著的影响,并且也定性的验证了数值模拟的结果的准确性 其次,本文根据有限元理论,利用ANSYS软件建立PEMFC的力学模型,通过向PEMFC单电池的两端施加不同的夹紧力,使得PEMFC扩散层发生弹性形变。最终得出在四种不同的夹紧力的作用下,其形状变化是不同的夹紧力越大,脊部下方的扩散层厚度被挤压的越薄但是无论在多大压力下,流道下方的气体扩散层厚度基本保持不变 最后,针对ANSYS软件分析后的模型,利用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics建立PEMFC的二维两相流模型然后进一步分析由于受力导致的扩散层的厚度变化带来的孔隙率的变化,及其对于渗透率、扩散率、电导率等参数的影响,以及由此产生的阴极扩散层水含量变化及其分布规律研究结果表明随着夹紧力的增大,孔隙率会逐渐减小,并且会增加催化层和扩散层的水含量,此外,电流密度的增加也会造成扩散层和催化层水含量的增多,给水管理造成更多的困难。


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