質子交換膜燃料電池動態(tài)特性研究.pdf

1、本文研究了質子交換膜燃料電池的動態(tài)特性。研究中采用實驗和數(shù)值計算相結合的手段。對比實驗工況，利用CFD數(shù)值模擬方法描述質子交換膜燃料電池內部的傳質變化。本文研究了質子交換膜燃料電池的穩(wěn)態(tài)工作狀況，認為陰極催化層與擴散層氧擴散速度是擴散層傳質能力的主要標志，擴散層內的液態(tài)水首先出現(xiàn)在流道脊下，并且不會對氣體傳質和電池性能造成嚴重影響。隨著電壓和加濕程度等的變化，液態(tài)水在擴散層內堆積，流道溝槽下的液態(tài)水含量逐漸增加，此時會影響氣體傳質和電池

2、性能，流道溝槽下的擴散層內液態(tài)水飽和度非常大時會造成電池性能的嚴重下降。本文研究了質子交換膜燃料電池的動態(tài)工作狀況，研究選用的數(shù)學模型可以正確描述質子交換膜燃料電池的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)工作狀態(tài)。模擬結果顯示質子交換膜內含水量和催化層表面氧擴散速度的變化與電流密度變化基本一致，質子交換膜燃料電池的響應時間可以分為氣體傳質響應時間和液態(tài)水長期平衡時間，氣體傳質響應時間在1-2s左右，液態(tài)水長期平衡時間在幾十分鐘到幾小時之間。溫度和陰極加濕程度對質子

3、交換膜燃料電池的動態(tài)特性影響顯著，可以通過改變工作參數(shù)的手段來改善電池的動態(tài)響應特性。60℃左右低溫條件或70％、90％等高加濕條件下，質子交換膜內含水量增加，在動態(tài)工作狀態(tài)中，短時間內，液態(tài)水堆積對傳質的影響不明顯，電池的性能得到了明顯的改善，動態(tài)電流密度與穩(wěn)態(tài)電流密度之比達到了1.4倍以上。隨著工作溫度的升高和加濕程度的下降，質子交換膜內含水量逐漸降低，電池動態(tài)性能變差，在90℃或10％加濕條件下，動態(tài)電流密度與穩(wěn)態(tài)電流密度之比分別