質子交換膜燃料電池動態(tài)傳輸特性的研究.pdf

1、PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells，質子交換膜燃料電池)被廣泛的認為是未來最有發(fā)展前途的清潔能源，尤其適用于移動的電子產品以及汽車等。大多數關于PEMFC數值模擬的研究關注于其在穩(wěn)定狀態(tài)下的特征，只有很少的是直接研究瞬態(tài)過程的。本文主要是分析PEMFC的瞬態(tài)傳輸過程。
　　 本文通過建立二維兩相非等溫的PEMFC瞬態(tài)模型研究了電池內部的瞬態(tài)傳輸特性。穩(wěn)態(tài)的模擬結果表明在催化

2、層內的活化過電勢，各物質反應程度分布不均勻；膜的潤濕程度對于PEMFC的瞬態(tài)性能有著很大的影響；熱量傳遞由于與電化學過程和物系的傳輸，特別是水的傳輸和水的相變過程有著緊密地聯(lián)系，因此也直接影響PEMFC的性能，另外通過模型還分析了PEMFC的動態(tài)特性，主要是在極板電壓以及進氣濕度發(fā)生突變的條件下，反應物的濃度以及電流密度在沿PEMFC厚度方向和垂直于厚度方向的動態(tài)反應特征，結果發(fā)現流道下面區(qū)域的動態(tài)特性要好于脊部下面區(qū)域，對外部環(huán)境突變

3、的反應更加迅速。本文還研究了氣體擴散層孔隙率，流道/脊部的比例等PEMFC的物理化學特征對PEMFC傳輸過程的影響，通過數值模擬發(fā)現了相對較大的孔隙率，較寬的流道尺寸，較高的進氣相對濕度以及較薄的質子交換膜有助于優(yōu)化PEMFC內部的物質傳輸過程，從而得到更好的瞬態(tài)性能。
　　 本文還通過運用交流阻抗法，通過垂直和水平方向兩電極測試法測定了不同厚度的Nafion膜(Nafion(R)112，Nafion(R)115以及Nafion

4、(R)117)在飽和濕度情況下的不同溫度以及相同溫度下的不飽和濕度的電導率，實驗結果發(fā)現膜的電導率隨著溫度的上升而增加，隨著相對濕度的上升而增加并且隨著厚度的增大而增加，同時定性驗證了數值模擬結果的準確性。
　　 本文最后部分建立了PEMFC的性能測試系統(tǒng)，測試了不同的溫度，進氣壓力，進氣相對濕度等操作條件的改變對PEMFC工作性能的影響，并且通過極化曲線和功率曲線找到PEMFC工作的最優(yōu)條件，同時也定性驗證了數值模擬的結果的準