阳极封闭式质子交换膜燃料电池性能影响因素的研究

摘要

提高燃料利用率与寻找清洁能源是当今社会可持续发展的核心问题。阳极封闭式质子交换膜燃料电池（PEMFC）通过改进电池结构使其具有氢气完全反应，系统大大简化，结构更加紧凑等优点。周期性排气是解决液态水和氮气等杂质在流道中聚积问题的常用手段，但是，这种工作方式的有效运行受到流道结构和运行参数的影响。本文运用计算流体动力学（CFD）数值模拟和实验研究相结合的方法，针对流道结构和运行参数对阳极封闭式PEMFC性能和排气周期的影响进行研究，主要内容如下： 首先，简要阐述了PEMFC的结构组成及工作原理，分析了阳极开放式PEMFC和阳极封闭式PEMFC的研究现状，综述了PEMFC的基本控制方程和水传输模型。以单流道阳极封闭式PEMFC为研究对象，对计算模型条件假设和边界条件进行设置，并阐述了适用于阳极封闭式PEMFC的数值模拟方法。 其次，建立对阳极封闭式PEMFC阳极内各组分分布和电池电压进行预测的阳极流道离散化模型。基于FLUENT软件对流道截面形状和流道深度等流道结构对阳极封闭式PEMFC性能及内部组分分布的影响进行数值模拟研究，确定了阳极封闭式PEMFC的最佳流道结构为深度0.6mm的矩形截面。 再次，根据最佳流道结构建立PEMFC的CFD模型，通过数值模拟研究电池运行的主要操作参数（温度、进气压力、反应气体相对湿度和化学计量比）对阳极封闭式PEMFC性能的影响，分析并得到了各参数对阳极封闭式PEMFC性能影响的规律。与阳极开放式PEMFC进行对比分析，结果表明阳极封闭的工作方式能有效地提高PEMFC的性能和氢气利用率。 最后，通过燃料电池测试台实验研究了运行参数对阳极封闭式PEMFC排气周期的影响。针对不同运行负载（低、中、高）和操作参数（化学计量比、反应气体相对湿度、电池温度、进气压力）对电池排气周期的影响进行实验，得到运行负载和操作参数对阳极封闭式PEMFC排气周期的影响规律。通过综合考虑设备成本、电池性能和排气周期等因素，确定了阳极封闭式PEMFC最合适的操作参数组合为：电池温度为338K、进气压力为50kPa、阳极和阳极反应气体相对湿度分别为50%和100%、阴极化学计量比为2。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 燃料电池的发展历史

1.1.2 燃料电池的分类

1.1.3 PEMFC的基本原理与特点

1.2 PEMFC的主要组件

1.2.1 极板

1.2.2 质子交换膜

1.2.3 电极

1.3 PEMFC的研究现状

1.3.1 阳极开放式PEMFC

1.3.2 阳极封闭式PEMFC

1.4 本文研究内容

第2章 PEMFC的数学模型和数值模拟方法

2.1 PEMFC的控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 能量守恒方程

2.1.4 组分守恒方程

2.1.5 电荷守恒方程

2.2 PEMFC中水的传输模型

2.2.1 PEM中水的传输模型

2.2.2 GDL中水的传输模型

2.3 数值模拟方法

2.3.1 计算模型条件假设

2.3.2 计算模型边界条件

2.3.3 阳极封闭式PEMFC的计算方法

2.4 本章小结

第3章 流道结构对阳极封闭式PEMFC性能的影响

3.1 阳极流道离散化模型

3.1.1 气体在流道中的传输

3.1.2 气体在PEM中的传输

3.1.3 电池电压模型

3.1.4 模型初始条件

3.2 流道截面形状对阳极封闭式PEMFC性能的影响

3.2.1 不同流道形状PEMFC几何模型和网格划分

3.2.2 阳极封闭式PEMFC数值模拟计算方案

3.2.3 结果分析

3.3 流道深度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

3.3.1 不同流道深度PEMFC几何模型和网格划分

3.3.2 结果分析

3.4 本章小结

第4章 操作参数对阳极封闭式PEMFC性能的影响

4.1 计算模型

4.1.1 几何模型

4.1.2 计算方案

4.2 结果分析

4.2.1 温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

4.2.2 操作压力对阳极封闭式PEMFC性能的影响

4.2.3 阴极化学计量比对阳极封闭式PEMFC性能的影响

4.2.4 气体相对湿度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

4.3 与阳极开放式PEMFC的对比分析

4.4 本章小结

第5章 阳极封闭式PEMFC周期性排气实验

5.1 实验系统

5.1.1 电池和排气系统

5.1.2 加湿系统

5.1.3 测试系统

5.2 实验流程

5.2.1 电池活化

5.2.2 运行负载对阳极封闭式PEMFC排气周期的影响实验

5.2.3 操作参数对阳极封闭式PEMFC排气周期的影响实验

5.3 实验结果分析

5.3.1 运行负载对阳极封闭式PEMFC排气周期的影响

5.3.2 操作参数对阳极封闭式PEMFC排气周期的影响

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

研究生期间科研成果及项目经历