質(zhì)子交換膜燃料電池傳輸現(xiàn)象動態(tài)特征研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、低溫啟動和無污染等優(yōu)點，所以是目前最有希望應(yīng)用于便攜式電源、小型固定發(fā)電站、電動汽車等交通工具的動力電源，市場前景相當可觀。而目前的燃料電池還處于研究階段，它的一些機理和關(guān)鍵問題還沒有解決。 本文針對燃料電池內(nèi)部的傳輸現(xiàn)象，通過計算流體軟件Fluent對電池內(nèi)部傳輸?shù)膭討B(tài)特征進行模擬與分析。首先，描述了質(zhì)子交換膜燃料電池的動態(tài)傳輸數(shù)學(xué)模型，包括流動、傳質(zhì)與傳熱、電化學(xué)反應(yīng)和水傳遞

2、等模型。然后，建立了一個直流道的燃料電池單電池幾何模型，運用Fluent軟件的PEM模塊對其進行模擬分析，分別研究了電流密度和反應(yīng)氣體濕度變化對質(zhì)子交換膜中水的動態(tài)傳輸?shù)挠绊?。結(jié)果表明，質(zhì)子交換膜中水的動態(tài)傳輸大約需要10s達到平衡；當質(zhì)子交換膜吸水時，電流密度大約需要10s達到穩(wěn)定；當質(zhì)子交換膜失水時，電流密度大約需要40s達到穩(wěn)定。 隨后，建立了一個對燃料電池內(nèi)部傳質(zhì)、傳熱具有典型特征的蛇形流場單電池幾何模型，研究了質(zhì)子交換

3、膜燃料電池的動態(tài)傳輸特征及各因素的關(guān)聯(lián)作用。結(jié)果表明，在反應(yīng)氣體加濕的情況下，陽極氫氣的平衡時間為0.5～0.7s，而陰極氧氣只需要0.3～0.5s；膜中水的平衡時間較氣體的平衡時間則緩慢很多，約為10s；在過量系數(shù)大于1、反應(yīng)氣體濕度較高的情況下，電流密度的超調(diào)是氧氣濃度的下降造成的，而氧氣濃度的下降是因為高電流密度下水濃度的升高引起的。過量系數(shù)、操作溫度、膜厚等參數(shù)均影響電流密度的超調(diào)。過量系數(shù)越大、操作溫度越高、膜越厚，電流密度的