聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）過(guò)程模擬與優(yōu)化.pdf

1、聚合物電解質(zhì)燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC），又稱(chēng)質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC），是目前燃料電池研究的熱點(diǎn)之一。決定PEFC性能和壽命的因素眾多，且各因素之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，相互制約。面對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，單純采用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行電池制備與操作條件的優(yōu)化，需要大量時(shí)間、耗資又耗力，還很難得到一個(gè)全面的最優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)電化學(xué)工

2、程理論，結(jié)合流體力學(xué)、熱力學(xué)分析，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)PEFC系統(tǒng)過(guò)程進(jìn)行模擬與優(yōu)化，是國(guó)際燃料電池研究界的一個(gè)重要方向。 本文旨在利用現(xiàn)有的PEFC實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論研究基礎(chǔ)，建立一個(gè)可以完整合理的描述PEFC系統(tǒng)工作原理的機(jī)理模型，通過(guò)分析模型輸入?yún)?shù)（實(shí)驗(yàn)設(shè)定值）與輸出結(jié)果（實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值）之間的關(guān)系，明確電池中各物理化學(xué)過(guò)程燃料電池輸出性能的作用機(jī)理，以此對(duì)燃料電池的制備與操作條件、電池的輸出性能及電池的壽命與穩(wěn)定性等做出合理指導(dǎo)與

3、預(yù)測(cè)。 本文建立了一個(gè)完整描述PEFC電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的二維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。針對(duì)PEFC不同組件及其特定功能，進(jìn)行模塊化建模，這些子模型包括氣道模型、陽(yáng)極擴(kuò)散層模型、電解質(zhì)膜模型、陰極擴(kuò)散層模型以及電化學(xué)反應(yīng)模型等。本文建立的模型是在對(duì)Trung Van Nguyen等人的模型[18，22—30]進(jìn)行修正與補(bǔ)充的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，建模過(guò)程主要新思路包括： （1）引入了Stefan—Maxwell方程描述擴(kuò)散層對(duì)氣體傳質(zhì)的阻力

4、造成的擴(kuò)散層內(nèi)氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)較氣道內(nèi)組分的變化； （2）考慮了陰極擴(kuò)散層中液態(tài)水的傳遞過(guò)程，考慮了液態(tài)水的存在對(duì)擴(kuò)散層有效孔率的影響； （3）考慮了在陰極工作氣體中存在惰性氣體情況下（如PEFC以空氣作為氧化氣）對(duì)電池性能的影響情況； （4）提出了陰極進(jìn)氣增濕情況下模型的修正方案。 通過(guò)改變電池不同的輸入?yún)?shù)，對(duì)比分析各輸入?yún)?shù)對(duì)電池輸出性能的作用機(jī)理發(fā)現(xiàn)： 若保持電池兩極氣道壓力相同，當(dāng)電池平

5、均電流密度較小時(shí)（例如小于0．5A/c㎡），提高兩極氣道絕對(duì)壓力可以提高電池性能；當(dāng)電池平均電流密度較高時(shí)（例如大于0．5A/c㎡），提高兩極氣道絕對(duì)壓力會(huì)導(dǎo)致電池性能下降；若保持陰極氣道壓力高于陽(yáng)極氣道壓力，則電池的輸出性能隨兩極氣道壓力差的增大而優(yōu)化。這個(gè)結(jié)果與其他文獻(xiàn)報(bào)道的模型計(jì)算結(jié)果[16]不一致。但與文獻(xiàn)中的PEFC實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極化曲線變化趨勢(shì)[44]相一致，這表明文章模型設(shè)計(jì)精確，也是本文的重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。 當(dāng)電池工作溫度

6、較低時(shí)（例如低于80℃），在低電流密度區(qū)（例如小于0．2A/c㎡），提高電池體相溫度會(huì)對(duì)電池性能造成負(fù)面影響；而在中高電流密度區(qū)（例如大于0．2A/c㎡），提高電池體相溫度可以提高電池性能；當(dāng)電池工作溫度較高時(shí)（例如高于80℃），在氣道壓力較低的情況下（例如常壓），在中低電流密度區(qū)（例如小于0．65A/c㎡），提高電池體相溫度可以提高電池性能；而在高電流密度區(qū)（例如大于0．65A/c㎡），提高電池體相溫度會(huì)使得電池性能下降。 當(dāng)

7、保持電池體相溫度不變，改變兩極進(jìn)氣溫度時(shí)，如果進(jìn)氣溫度在較低溫度范圍內(nèi)（例如低于80℃），提高進(jìn)氣溫度可以提高電池性能。而如果進(jìn)氣溫度較高（例如高于80℃），當(dāng)電池平均電流密度在中低電流密度（例如小于0．8A/c㎡），進(jìn)氣溫度升高有利于提高電池性能；在高電流密度區(qū)（例如高于0．8A/c㎡），進(jìn)氣溫度升高會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。 如果陰極氣流中含有惰性氣體，將導(dǎo)致陰極擴(kuò)散層中氧氣濃度下降而使電池性能降低。可以通過(guò)提高陰極氣道壓力來(lái)彌補(bǔ)

8、惰性氣體進(jìn)氣給電池性能造成的負(fù)面影響。 陽(yáng)極水氣增濕在陽(yáng)極氣流中水氣含量從0．5倍陽(yáng)極溫度下的飽和水氣濃度到2倍飽和水氣濃度的變化過(guò)程中，電池性能隨陽(yáng)極氣流中水氣含量的提高性能有較大幅度的升高。 若在陽(yáng)極燃料飽和水氣增濕過(guò)程中夾帶水，當(dāng)夾帶水含量達(dá)到0．25倍飽和水氣量后，夾帶水含量的增加，對(duì)提高電池性能的作用很小。對(duì)于相同的增濕度，純水氣增濕的效果明顯好于飽和水氣加液態(tài)水增濕。 電池陰極氣流增濕在本文敘及的電池