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文檔簡介
1、質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一種直接將化學能轉化成電能的發(fā)電裝置。它不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉換效率高,只要有足夠的氫氣和氧氣,就可以長時間連續(xù)運行。因能量轉換效率高、噪音低、燃料來源廣、無排放(反應產物為水)等優(yōu)點,燃料電池已成為一種優(yōu)秀的動力源,可用于備用電源、汽車、小型電站及軍用領域,應用前景極為廣泛。燃料電池水熱管理對電池性能有重要影響,現(xiàn)階段缺少對燃
2、料電池堆內的溫度分布研究,同時缺少系統(tǒng)且簡便有效的水管理方法。本文對燃料電池堆內溫度分布、液滴重力和尾氣冷凝在電池排水中的應用進行了研究。
通過數(shù)值模擬的方法,本文研究了氣體擴散層表面在不同條件下溫度分布特性,結果顯示:在不同操作條件下,擴散層(Gas Diffusion Layer, GDL)溫度沿流道方向均上升,GDL表面溫度在進口段溫度升高幅度要大于電池出口段,流道表面擴散層溫度低于岸下溫度;電池操作壓力升高可提高擴散層
3、表面溫度均一性;反應氣體流量增大時,進口段GDL溫度升高,出口段溫度降低,GDL表面溫度隨進氣溫度升高而升高。
本文通過將微型熱電偶置于陰極流場,對燃料電池堆進行溫度檢測,研究了不同操作條件對質子交換膜燃料電池溫度分布的影響。結果顯示,當反應氣體為空氣與氫氣時,電堆內溫度沿流道入口至出口逐漸升高;隨著工作電流密度的升高,電堆中各單電池內溫差隨之增加;電堆中溫度呈現(xiàn)中間高兩邊低的“上凸曲線”分布;隨著空氣流量的增大,單電池內溫差
4、逐漸減小;進口空氣溫度對電堆內溫差影響不大;增大冷卻水流量,電堆內溫度均一性增加。當反應氣體為氧氣與氫氣時,不同操作條件下,堆內最高溫度處于電池堆出口處;隨著電流密度的增加,各單電池內的溫差增大;冷卻水流量減小,電池堆內溫差變大,溫度升高;增大反應氣體壓力,電池堆中的溫度分布更均勻。
通過對液滴受力進行理論分析,設計并制作重力輔助排水單電池,并實驗研究了低流速重力輔助排水電池性能。結果顯示,自身重力有利于液滴脫離氣體擴散層,使
5、液態(tài)水有效排出電池堆。電池水平放置陰極向下運行時,液滴重力與其脫離氣體擴散層方向一致,電池性能最佳;電池豎直放置測試時,液滴重力與氣體吹掃液滴排出電池方向一致,其向外排水能力最強。反應氣體流速較低時,提高不同放置方式電池溫度,電池性能均上升;電池豎直放置運行時,氣體加濕對電池性能影響不大。電池測試時,應該避免電池陰極水平向上。
質子交換膜燃料電池陰極尾氣中含有大量高溫飽和水蒸氣,通過對其冷凝可以分離出大量的高純度液態(tài)水,用于進
6、氣加濕,實現(xiàn)電池的自加濕運行。同時,對尾氣冷凝電池性能研究分析后發(fā)現(xiàn),尾氣冷凝還能增強電池的水管理能力,提高出口附近電池的性能。在尾氣冷凝過程中,冷凝器的散熱主要以液態(tài)水的相變潛熱為主。冷凝器的散熱量隨反應氣體過量系數(shù)的增大而增大,隨電池堆出口壓力的增大而減小。在保證電池堆的自加濕條件下,電池堆運行溫度越高,所需冷凝器的換熱量越大。
本文從數(shù)值模擬、理論分析和實驗測試三方面對質子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其運行特性進行了深入研究,系
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