質(zhì)子交換膜燃料電池性能仿真與水管理的實驗研究.pdf

1、汽車工業(yè)的快速發(fā)展改善了人們的生活水平，但也帶來了石油需求激增和環(huán)境惡化問題。要走出這種尷尬的困境，主要有兩條途徑：一是通過采用先進的燃燒技術(shù)、燃料技術(shù)以及后處理技術(shù)改造傳統(tǒng)汽車，制定更加嚴格的汽車污染物排放標準；二是發(fā)展新能源汽車。從長遠利益看，發(fā)展新能源汽車是解決這些問題的有效途徑，尤其是立足于氫能基礎(chǔ)上的燃料電池汽車日益引起人們的關(guān)注。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因其自身特點，特別適用于燃料電池汽車。本文針對目前對PEMFC研

2、究的一些不足，采用數(shù)值仿真分析與實驗研究相結(jié)合的方法，對平行流場和交指流場PEMFCs進行了系統(tǒng)的仿真分析研究和水管理的實驗研究。 ⑴建立真實性得以改善的PEMFC三維、兩相、非等溫的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用到平行流場和交指流場PEMFCs的系統(tǒng)仿真工作中。把高靈敏度的雙平行電導(dǎo)探針成功應(yīng)用于PEMFC流道內(nèi)氣液兩相流流型研究工作中。提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池-內(nèi)燃機聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)，并對整個系統(tǒng)進行分析計算。 ⑵建立了包括PEMF

3、C陰極/陽極側(cè)流道和擴散層、催化層以及質(zhì)子交換膜在內(nèi)的三維、兩相、非等溫數(shù)學(xué)模型。通過自定義程序，把所建立的模型耦合到計算流體力學(xué)(CFD)軟件中進行求解，對基本工況下平行流場PEMFC包括陰/陽極側(cè)流道在內(nèi)的全流場進行統(tǒng)一的計算，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。說明建立的模型及其求解技術(shù)可以仿真不同工況下平行流場和交指流場PEMFCs內(nèi)部相互耦合的三維、兩相物質(zhì)的流動、傳熱、傳質(zhì)和電化學(xué)特性。該模型同時考慮了包括PEMFC陰極/陽極側(cè)流道

4、和氣體擴散層、催化層以及質(zhì)子交換膜在內(nèi)的三維特性、兩相特性和非等溫特性，仿真真實性得以改善。 ⑶PEMFC的流場結(jié)構(gòu)形式對其內(nèi)部物質(zhì)傳質(zhì)機理、進而對其電化學(xué)特性、極限電流密度及輸出性能都有重要影響。通過求解建立的數(shù)學(xué)模型，分別對平行流場和交指流場PEMFCs包括陰/陽極側(cè)流道在內(nèi)的全流場進行統(tǒng)一的計算。仿真研究了平行流場和交指流場PEMFCs內(nèi)部的三維、兩相流動與傳輸現(xiàn)象、電池性能及其影響因素。通過仿真研究揭示了平行流場和交指流

5、場PEMFCs流道和氣體擴散層中的速度場分布、電池的溫度場分布、流道中的壓力場分布、陰極流道和氣體擴散層中的氧氣質(zhì)量分數(shù)分布、陽極流道和氣體擴散層中的氫氣質(zhì)量分數(shù)分布、流道和氣體擴散層中的氣態(tài)水和液態(tài)水的質(zhì)量分數(shù)分布、質(zhì)子交換膜中凈水傳遞系數(shù)和水含量分布、電池過電勢分布和電流密度分布，通過對上述各參數(shù)分布的詳細分析，增進了對電池內(nèi)部物理現(xiàn)象的理解。分析了陰極氧化劑種類、流道進氣速度、流道出口壓力、質(zhì)子交換膜厚度和流道筋寬對平行流場和交指

6、流場PEMFCs性能的影響，比較了這些影響因素對平行流場和交指流場PEMFCs性能影響的程度，并把包括流場流型在內(nèi)的PEMFC性能影響因素進行了排序，排序結(jié)果由大到小為：氧化劑種類、流場流型、流道出口壓力、流道進氣速度、流道筋寬、質(zhì)子交換膜厚度。用交指流場代替平行流場、陰極使用氧氣代替空氣作為氧化劑、提高反應(yīng)氣體進氣速度和流道出口壓力、減小質(zhì)子交換膜厚度以及流道筋寬都可以不同程度地提高.PEMFC的輸出性能。分析研究表明，交指流場PEM

7、FC的性能整體上優(yōu)于平行流場PEMFC。數(shù)值仿真結(jié)果表明，建立的數(shù)學(xué)模型能夠為PEMFC提供詳細的三維、兩相、非等溫的流動和傳輸參數(shù)分布和電化學(xué)性能分布：能夠?qū)﹄姵氐脑O(shè)計和運行參數(shù)進行優(yōu)化。用三維、兩相、非等溫的數(shù)學(xué)模型對交指流場PEMFC進行系統(tǒng)的仿真研究尚屬首次。 ⑷氣液兩相流流動是低溫PEMFC運行中的一個普遍現(xiàn)象。而關(guān)于PEMFC內(nèi)部工質(zhì)兩相流流動的研究很少，主要使用的研究方法為“可視化攝像”，但這種方法不能對PEMFC

8、堆中不靠近陰極端板的電池單體進行研究。根據(jù)PEMFC運行時陰極氣體和水的流量，自行設(shè)計了陰極仿真流道實驗臺，以“可視化攝像”方法為輔助，將高靈敏度的雙平行電導(dǎo)探針流型測試技術(shù)成功應(yīng)用于PEMFC流道內(nèi)氣液兩相流流型研究。研究結(jié)果表明：PEMFC仿真流道氣液兩相流流型雙平行電導(dǎo)探針測試系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)都可以判斷其中出現(xiàn)的活塞流和環(huán)狀流，而雙平行電導(dǎo)探針測試系統(tǒng)還可以把環(huán)狀流分為三類。此探針測試系統(tǒng)可以對PEMFC堆中不靠近陰極端板的電池單體

9、進行流型研究。這兩個流型測試系統(tǒng)以探針測試系統(tǒng)為主，以攝像系統(tǒng)為輔，相互驗證，增加了實驗的準確性。PEMFC仿真流道中的典型流型包括活塞流、有較大液膜波動的環(huán)狀流、有較小液膜波動的環(huán)狀流和沒有液膜波動的環(huán)狀流，隨著液體折算速度的增加，液塞出現(xiàn)的頻率增大，液膜波動的頻率增大。以氣體折算速度為橫坐標，液體折算速度為縱坐標，得到PEMFC流道中的流型圖。此圖可以用來預(yù)測不同運行條件下PEMFC流道中的氣液兩相流流型。本文PEMFC運行條件下，

10、所產(chǎn)生的氣液兩相流流型均為有較小液膜波動的環(huán)狀流，隨著電流密度的增大，液膜波動頻率增大；在同一電流密度情況下，隨著位置靠近流道出口，液膜波動頻率增大。 ⑸根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池的特點，提出一種質(zhì)子交換膜燃料電池.內(nèi)燃機聯(lián)合驅(qū)動系統(tǒng)，采用質(zhì)子交換膜燃料電池和內(nèi)燃機聯(lián)合驅(qū)動大巴，同時燃氣空調(diào)機為大巴提供冷風(fēng)/熱風(fēng)，并對此系統(tǒng)進行了物質(zhì)平衡計算和熱平衡計算。計算結(jié)果表明，該系統(tǒng)的總效率可達50％以上，高于目前內(nèi)燃機的效率，且此系統(tǒng)可以