堿性陰離子交換膜燃料電池水熱管理的實(shí)驗(yàn)及仿真研究.pdf

1、隨著人類社會的發(fā)展，人們對能源效率及環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，燃料電池以其啟動快、效率高、噪聲低、污染小的特點(diǎn)得到了越來越多的關(guān)注。在燃料電池中，堿性陰離子交換膜燃料電池(Alkaline membrane fuel cell, AMFC)具有較高的電化學(xué)動力學(xué)特性、較低的貴金屬催化劑依賴性以及較好的二氧化碳耐受性。因而，近年來受到了國內(nèi)外廣泛的討論與研究。在AMFC的研究領(lǐng)域中，水熱管理是制約其性能、成本和耐久性的關(guān)鍵因素之一。因此，研

2、究其中的水熱管理問題及傳熱傳質(zhì)過程，對了解 AMFC工作機(jī)理、制定水熱管理策略具有十分重要的意義。
　　首先，本研究通過制備 AMFC膜電極、組裝燃料電池、搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在不同工況條件下測試了AMFC的性能。結(jié)果表明，AMFC的激活過程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為性能提升階段，第二個(gè)階段為性能衰減并達(dá)到穩(wěn)定的階段。同時(shí)，陰陽兩極進(jìn)氣加濕能十分顯著地提升電池性能，并且陰極進(jìn)氣加濕的作用更為明顯。此外，負(fù)載的增加和減小分別會引起電流密度

3、的過沖和下沖，而且過沖及下沖的幅度會隨著負(fù)載變化的增加及加載時(shí)間的縮短而加劇。
　　其次，為了進(jìn)一步了解 AMFC的水熱管理及傳熱傳質(zhì)機(jī)理，本研究建立了AMFC全電池的三維多相流數(shù)值模型。該模型模擬了電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量傳輸、動量傳輸、能量傳遞和水的相變等過程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　再次，通過建立的AMFC三維多相流數(shù)值模型，本研究分析了穩(wěn)態(tài)條件下陰陽兩極進(jìn)氣加濕、工作溫度、膜厚度和膜電極疏水性等工況條件及設(shè)計(jì)參數(shù)

4、對燃料電池性能及傳熱傳質(zhì)過程的影響。研究發(fā)現(xiàn)，陽極進(jìn)氣加濕可以提升AMFC性能，但其作用會隨著加濕程度的增加而減弱。陰極進(jìn)氣加濕對性能的提升作用更加顯著，并且高負(fù)載條件下，陰極流道中的液態(tài)水供給會進(jìn)一步提高電池性能。
　　最后，本研究分析了AMFC對負(fù)載、陰陽兩極進(jìn)氣加濕、工作溫度等工況的動態(tài)響應(yīng)。在循環(huán)負(fù)載工況中，負(fù)載的加載順序?qū)MFC的性能有一定影響，并且加濕程度越低，影響越顯著。此外，由陰陽兩極進(jìn)氣相對濕度降低引起的膜態(tài)水