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质子交换膜燃料电池水管理的实验与模拟

陈士忠  
【摘要】: PEM(质子交换膜)燃料电池是一种新型、高效、清洁的发电系统。它的发电效率可达到60%左右,它的排放物为水,对环境没有污染。尽管PEM燃料电池的基础研究和应用研究取得了可喜成绩,但近年来在推广应用上遇到了严重的障碍,其中一个主要因素就是成本太高。为了提高PEM燃料电池的性价比,在无法降低成本的情况下,提高PEM燃料电池的性能是提高其性价比的一个重要手段。影响PEM燃料电池性能的因素很多,其中水是影响PEM燃料电池性能的关键因素之一。因此PEM燃料电池水管理实验与模拟结果对提高燃料电池性能,从而使PEM燃料电池早日推广应用有着重大意义。 本文以PEM燃料电池为研究对象,深入研究了采用不同流场组装成电池的性能。为了分析不同流场对PEM燃料电池内部水传递的影响,采用在不同的温度和流量条件下对电池的输出特性进行测试,获得了不同操作条件对电池的电压和电流输出特性的影响规律。本实验中电池阴阳极都为交指流场时,电池内部水管理可以很好的控制电池内部水平衡,电池输出特性最好。从实验结果中还可以得出,PEM燃料电池的阴极对电池输出特性的影响比阳极的影响大。 通过理论计算,分析了重力对电池内部水管理的影响情况,提出了测试重力影响电池内部水传递和分布的实验方法。在实验中通过设计阳极在上和阴极在上两种电池摆放方式,实现了通过改变重力方向和水传递方向之间的关系,来测试在不同的温度和湿度条件下,电池内部气液两相流情况。对不同摆放方式的电池的电压和电流输出特性进行了测试,获得了不同操作条件对电池输出特性的影响规律。本实验中受重力影响,阳极在上时的电池输出特性要比阴极在上时的电池输出特性好。当气体加湿温度比电池温度高时,阴极在上的电池水管理造成电池内部水不平衡,电池输出特性最差。 结合流体力学中三大守恒方程,构建了一个新的二维两相流模型来模拟质子交换膜燃料电池内的传质。首次在动量方程的源项中考虑了重力对电池内部两相流的影响,源项中重力项设为矢量,重力项的正负值取决于阴极在上或阳极在上的摆放位置不同。通过交错网格控制容积法和SIMPLE算法,对PEM燃料电池的内部传质进行数值模拟,模拟结果显示了电池阴极水的质量浓度和氧气质量浓度的分布情况。受重力的影响,阴极水的质量浓度在阳极在上时要比阴极在上时高,而氧气的质量浓度与水正好相反。 根据实验和模拟结果,提出一种优化电池水管理方法和提高PEM燃料电池性能的摆放方式。


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