直接甲醇質子交換膜燃料電池中傳熱傳質現(xiàn)象的研究.pdf

1、直接甲醇燃料電池(DMFC)被認為是21世紀電動汽車最佳候選動力源。本文對電動汽車用DMFC水管理、熱管理和CO<,2>氣體管理相關的傳熱傳質問題進行了深入的理論探索，并設計組裝了一個活化面積為100cm<'2>的DMFC單電池及其性能測試系統(tǒng)實驗臺。 為了闡明水在PEM中的傳遞機理，本文首先對DMFC的PEM中能量和質量遷移過程進行了定性分析和定量研究。應用有內熱源的多孔介質中流體流動與換熱理論求解了PEM：中的溫度分布和含水

2、量分布，得到了與文獻中報道的實驗觀察現(xiàn)象相一致的結論。計算結果還表明：反映水的熱容量和膜的內部產(chǎn)熱量的兩個無量綱準則數(shù)D和N是研究PEM中熱量和濕分遷移過程的重要工具；利用這兩個重要的無量綱準則數(shù)D和N，能對PEM中的流動和傳熱工況進行定性的分析和定量的判斷；水的質量流率小和電流密度過高是造成膜失水的主要原因。 利用多孔介質模型首次對DMFC的PEM內兩相逆流的形成和發(fā)展規(guī)律進行了探索研究。進一步從傳熱傳質學的角度闡明了PEM干

3、涸燒毀的機理。建立了多孔PEM中兩相區(qū)內的一維、穩(wěn)態(tài)、含內熱源多孔介質相變傳熱傳質模型。該模型考慮了毛細力、電滲力和相變的影響。推導出了PEM中兩相區(qū)的無量綱理論長度δ<,t>的計算公式和PEM臨界干涸準則數(shù)[-ω/γ]<,cr>的表達式。利用該模型對兩相區(qū)內液相水飽和度、各相的壓力以及溫度分布進行了數(shù)值模擬。模擬結果能夠從機理上解釋歐姆極化區(qū)DMFC性能變化規(guī)律，為確定陰極催化劑含載量與最佳PEM厚度的選取提供了理論依據(jù)。 通

4、過推導和分析電池堆系統(tǒng)的熱平衡方程式，明確了電池堆中廢熱的去除主要通過反應物吸收、水的蒸發(fā)和冷卻系統(tǒng)三種機制來實現(xiàn)。在對Q<,ev>、Q<,l>和Q<,rc>三者關系的探討中，進一步定量地建立了水平衡和熱平衡的聯(lián)系。依據(jù)DMFC電池堆水管理和熱管理的要求，設計了一套分形樹狀網(wǎng)絡通道散熱系統(tǒng)。對該新型結構散熱器的換熱和泵功特性的分析表明其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的平行通道和蛇行通道冷卻系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)進行結構優(yōu)化設計，得到了應用于DMFC堆的分形網(wǎng)

5、絡通道最優(yōu)化結構參數(shù)。定量計算得到的熱負荷、冷卻水的質量流量以及冷卻水進出口溫差三者之間的聯(lián)系曲線均表明，該結構能夠將大部分溫差轉移到其覆蓋區(qū)域的邊緣部位，而核心部位的溫度梯度能夠控制在很小的范圍內。計算結果還可用于MEA活化面積尺寸的優(yōu)化設計。 本文將DMFC陽極流道中伴隨有邊界面上的氣液質量傳遞過程的兩相流動現(xiàn)象與傳統(tǒng)加熱管中流動沸騰現(xiàn)象進行了比擬，首次提出了“擬沸騰”的概念，并建立了擬沸騰壓力降模型來預測陽極流道中壓力變化

6、情況。通過模型計算結果與相關試驗資料的對比，驗證了模型的正確性和適用范圍，而且新發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：對于小活化面積的電池，在小電流密度下運行時，流道中擴散層表面的“非活化點”處滯留的氣泡核心對主流有較大的附加摩擦阻力作用。利用本文模型進行了參數(shù)分析，主要考察了電流密度、陽極進料流量和電池工作溫度對流動壓力降的影響。得到了一個十分有意義的推論：如果DMFC的活化面積較小，為了避免流道中壓力分布不均勻對電池性能的影響，可以將電池水平放置以