高溫質子交換膜燃料電池堆性能的數值模擬研究.pdf

1、高溫質子交換膜燃料電池具備電化學反應速率快、水管理簡易、CO容忍度高以及廢熱利用率高等優(yōu)點,受到越來越廣泛的關注。目前高溫質子交換膜燃料電池主要研究方向是單電池材料、電化學性能,而對電池堆的研究比較匱乏。
　　本文建立了一個高溫質子交換膜燃料電池堆的數學模型,模型分為三個模塊:電池堆流體模塊、單電池模塊以及熱傳遞模塊。在流體模塊中,通過管道網絡系統計算宏觀電池堆中進排氣管道和單電池流道的氣體分布;單電池模塊則是利用流體模塊中求解出

2、的氣體分布計算電池堆中各單電池的電化學性能;熱傳遞模塊用于分析電池堆的溫度分布。
　　利用電池堆模型對一個基本案例進行研究,分析電池堆內氣體分布、溫度分布以及電化學性能分布的趨勢及其影響因素。隨后,以該基本案例為參照,研究了電池堆的結構參數和操作參數對其性能不均衡性的影響。研究結果表明,單電池數量和電流密度的增加雖然是為了提高電池堆的總功率,但是都會使電池堆內各單電池的輸出電壓不均衡性增強;進排氣管道直徑的增大會比較理想地改善電池

3、堆不均衡性,同樣的原理可以運用到單電池內部的平行流道分布,使得單電池流道、電池堆內均有較好的氣體分布均衡性;陽極進氣相對濕度的提高能夠很有效地降低電池堆內各單電池歐姆電壓損失,且不會增強輸出電壓的不均衡性,但高溫條件下提高氫氣加濕度比較困難;陰極化學計量數和進氣壓力的提高有利于電池堆內部氣體濃度的升高,從而使電池堆的電化學性能、輸出功率有一定的提高,同時也不會造成電池堆性能不均衡性的惡化,但需要空壓機做更多的功,因此這樣的措施有可能使系

4、統功率方面得不償失。
　　此外,本文還研究了電池堆冷卻板布置方式對電池堆性能的影響,通過增加兩個冷卻板之間的單電池個數以降低電池堆的尺寸。研究結果表明,增加兩個冷卻板之間的單電池個數會使得電池堆整體溫度有所上升,且兩個冷卻板之間的單電池溫度差異也越來越大。這些因素造成電池堆內氣體濃度的不均衡性惡化,直接導致各單電池輸出電壓產生較大的差異。當兩個冷卻板之間的單電池個數增加到一定數量后還會產生有些單電池供氣不足的現象。本研究對于實際的