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质子交换膜燃料电池三维流场及水热分布特性研究

李云鹏  
【摘要】:质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。其具有很多优点:可低温快速启动,对燃料适应性强,其发电过程不涉及氢氧燃烧,因而不受卡诺循环的限制,能量转换率高;工作可靠性高等。有效的热管理和水管理对于质子交换膜来说是非常重要的,没有有效的热管理和水管理,会使电池温度过高,水淹等影响电池性能,所以有效的水热管理是保证电池高性能和高效率的关键。 本文首先综述了质子交换膜燃料电池的发展历史和研究进展情况,介绍了常用的流场类型,简单介绍了一维、二维以及三维模拟方法和现状。描述了PEMFC的基本传输方程和电化学方程,以及物性参数模型和电极化过程。使用计算机模拟的方法来分析质子交换膜燃料电池的水热管理,以计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行模拟计算。建立了50mm×11mm×3.28mm交指型质子交换膜燃料电池单电池的模型并对其进行分析。 对交指型质子交换膜燃料电池单电池进行了模拟计算,分析了在不同加湿条件下质子交换膜燃料电池的输出特性,沿流道方向扩散层温度分布,阴、阳极扩散层以及质子交换膜中的水含量分布,阴阳极加湿对质子交换膜中温差的影响,扩散层导热系数对电池温度分布的影响以及气体过量系数对燃料电池性能的影响。结果表明,在加湿100%、扩散层导热系数为0.6W/(mk)、氢气过量系数为1.5,氧气过量系数为2的条件下电池的性能相对较好。 接着基于上述单电池模型,结合多孔介质特性,在多孔介质条件下,研究分析不同孔隙率对于燃料电池性能、膜中水含量、扩散层压力以及催化层表明氧气浓度的影响。结果表明随着孔隙率的增大,相饱和度、液态水流量以及催化层表面氧气浓度增大,而质子交换膜中扩散层压力和膜中水含量逐渐降低。 最后研究燃料电池的散热冷却问题,在单电池的模型基础上,建立50mm×11mm×4.48mm的带有冷却通道的质子交换膜燃料电池,探讨冷却流道内温度的分布;研究分析了冷却水流速对冷却流道内温度分布、冷却流道出口温度分布以及进出口压降的影响。


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