質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層內(nèi)H2O傳遞機(jī)理研究.pdf

1、本文以質(zhì)子交換膜燃料電池在交通運(yùn)輸、分布式電站、移動(dòng)電源及航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景為背景，著重研究了質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)內(nèi)氣體擴(kuò)散層(簡(jiǎn)稱擴(kuò)散層，gas diffusion layer, GDL)中的H2O傳遞行為。從傳熱學(xué)、熱力學(xué)及流體力學(xué)基本理論出發(fā)，通過(guò)離線實(shí)驗(yàn)研究手段以及模型研究，探討了擴(kuò)散層內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)H2O傳遞特性的影響，并對(duì)該傳遞過(guò)程的微觀特征進(jìn)行了理論探討，獲得對(duì)擴(kuò)散層內(nèi)H2O傳遞機(jī)理的掌握。
　　通過(guò)

2、設(shè)計(jì)并建立離線可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)液態(tài)水在擴(kuò)散層中的突破過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)研究，得到不同溫度下突破壓力值，發(fā)現(xiàn)突破過(guò)程存在一個(gè)固定流通通道，并且過(guò)程中壓力隨溫度變化趨勢(shì)為:隨著擴(kuò)散層溫度的升高，液態(tài)水在其內(nèi)的突破壓力呈近似線性降低;擴(kuò)散層表面突破液滴應(yīng)及時(shí)吹掃，且蛇形流場(chǎng)板利于液滴的排出。
　　通過(guò)離線實(shí)驗(yàn)，對(duì)水蒸氣在擴(kuò)散層內(nèi)的凝結(jié)傳遞過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了水蒸氣在經(jīng)過(guò)疏水處理的擴(kuò)散層內(nèi)會(huì)發(fā)生凝結(jié)，且凝結(jié)液滴分散在擴(kuò)散層內(nèi)孔隙中，隨著凝結(jié)

3、的持續(xù)發(fā)生，各個(gè)分散的凝結(jié)液滴有匯聚的趨勢(shì)并在一定條件下形成液態(tài)水突破擴(kuò)散層的過(guò)程。同時(shí)通過(guò)測(cè)量不同擴(kuò)散層疏水處理程度，即聚四氟乙烯(PTFE)載量以及微孔層(micro porous layer, MPL)對(duì)H2O凝結(jié)速率的影響，得出減小PTFE載量及增加微孔層能降低水蒸氣凝結(jié)速率進(jìn)而減少傳質(zhì)極化的發(fā)生。
　　通過(guò)分別采用纖維網(wǎng)格模型及孔隙網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)液態(tài)水突破擴(kuò)散層的過(guò)程進(jìn)行建模研究，發(fā)現(xiàn)模型能較好地預(yù)測(cè)突破過(guò)程。發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散層潤(rùn)濕

4、性分布不均會(huì)導(dǎo)致突破壓力的增加;當(dāng)擴(kuò)散層具有較多大尺寸孔隙時(shí)，液態(tài)水的突破壓力較低且擴(kuò)散層內(nèi)液態(tài)水飽和度較高。同時(shí)將孔隙網(wǎng)絡(luò)模型用于預(yù)測(cè)水蒸氣在擴(kuò)散層中的凝結(jié)速率，發(fā)現(xiàn)增大孔隙率及平均孔徑、增加擴(kuò)散層入口邊界溫度及擴(kuò)散層兩端溫差能提高水蒸氣凝結(jié)速率，且擴(kuò)散層內(nèi)凝結(jié)熱對(duì)其內(nèi)部溫度分布影響可以忽略不計(jì)。
　　通過(guò)分析進(jìn)入催化層中產(chǎn)生H2O的微觀過(guò)程，得到進(jìn)入擴(kuò)散層中的H2O為水蒸氣和液態(tài)水共存狀態(tài);發(fā)現(xiàn)了水蒸氣在擴(kuò)散層中的凝結(jié)受到碳纖