分流进气及多孔材料内气体扩散特性对PEMFC性能影响的研究

摘要

质子交换膜燃料电池已经初步进入商业化运用阶段，但是如何进一步降低其生产成本以及提高其性能仍然是目前研究的重点。探究燃料电池内部的水气传输特性，寻求有效的水管理策略，进而解决其内部的水平衡问题依然是延长电池使用寿命以及提高电池性能的关键所在。扩散层和流道作为燃料电池的核心部件，承担着气体扩散以及水分排出的功能，在燃料电池水管理中发挥着举足轻重的作用。本文围绕燃料电池水管理展开并以扩散层及流道为研究对象，主要工作包括两部分，第一部分通过实验研究燃料电池含水多孔扩散层及催化层的气体扩散传质特性，并在此基础上用数值模拟的方法定量分析气体扩散传质对电池性能的影响，从而为制定合理的水管理策略提供理论依据；第二部分针对燃料电池水管理，提出了一种新型的阴极流道分流设计，分别用数值模拟和实验的方法对该设计的有效性进行了研究。 为探究扩散层多孔介质结构及其含水状态对氧气有效扩散系数的影响，本文利用原电池原理提出了一种扩散层氧气有效扩散系数的实验测量装置。使用该装置分别测量了燃料电池常用碳布和碳纸两种材料扩散层干燥和含水状态下的氧气有效扩散系数。对于干燥状态的扩散层实验研究了其孔隙率和孔隙结构对氧气有效扩散系数的影响；对于含水状态的扩散层使用真空含水和冷凝含水两种不同的含水处理方法来研究含水量及水分布对氧气有效扩散系数的影响。实验结果表明尽管两种材料具有相同平均孔隙率，但因孔隙结构不同，两者的氧气有效扩散系数并不相同；另外，具有相同含水量的同一多孔材料，因其水分布不同，其氧气有效扩散系数也并不相同。因此，氧气有效扩散系数不仅和扩散层的平均孔隙率与平均含水量有关，还和孔隙的结构以及液态水的分布密切相关。 基于前上述实验结果，本文修正了预测扩散层氧气有效扩散系数Bruggeman方程，修正后的关联式和实验结果匹配度更高。随后，本文建立了燃料电池三维两相数值模型，利用数值计算的方法定量分析气体有效扩散传质对电池性能的影响，结果表明使用传统的 Bruggeman方程预测的电池性能要比本文给出的修正关联式预测的电池性能高出许多，且发现阴极扩散层的氧气有效扩散传质对电池性能的影响要远远大于阳极扩散层的气体有效扩散传质对电池性能的影响。此外数值模拟还定量分析了催化层有效气体扩散性对电池性能的影响，研究发现阴极催化侧氧气有效扩散传质对电池性能的影响很大。因此，在对燃料电池的数值建模以及优化设计时，要重点优化阴极扩散层和催化层。 流场的优化设计是燃料电池水管理的一个十分重要的手段，尤其是阴极流场的优化设计更是保证电池水平衡，提高电池性能的关键。对于平直流场燃料电池来说，阴极反应生成的液态水往往聚集在阴极流道后半部分，不易排出，进而堵塞后半部分扩散层内气体的传输通道，影响电池性能。针对这一问题，本文提出了一种新型的阴极流道分流设计，即在阴极流道上增加分流进气口，在维持阴极总的进气量不变的情况下，将阴极反应气体分为两部分，其中一部分气体加湿处理后从阴极主进气口进入电池，另一部分气体不经加湿处理从阴极分流进气口送入电池。分流设计能够在保证膜电极较好加湿的前提下，通过改变阴极流道内气体流场的分布来增强电池的排水性，从而提高电池的性能。分流进气口位置以及分流进气量是影响分流设计效果的两个重要参数。因此，本文针对三种典型的分流进气口位置以及分流进气量进行研究。即分流进气口位置分别位于距阴极主进气口的长度占阴极流道总长度的30%，50%和70%（文中用SIP-30%, SIP-50%和SIP-70%表示）；分流进气量分别为阴极总进气量的30%，50%和70%（文中用SFR-30%, SFR-50%和SFR-70%表示）。 针对分流设计，本文首先利用建立的燃料电池三维两相数值模型进行研究，分析对比了不同分流设计和传统设计下燃料电池的极化曲线，氧气浓度分布，电流密度分布和液态水分布情况。数值模拟结果表明分流进气口位置位于距阴极主进气口的长度占阴极流道总长度的30%，即SIP-30%，且分流进气量为阴极总进气量的70%，即 SFR-70%时相对于传统设计，电池性能最佳。在数值模拟的基础上，本文采用有效膜电极面积为90 cm2具有分流设计的电池单元作了进一步的实验研究。三种典型分流设计的实验结果表明不同分流进气口位置以及分流进气流量对燃料电池性能会产生不同的影响。在低电流密度下分流设计并不能起到提升电池性能的作用，甚至会导致电池性能的不稳定和降低。高电流密度下，当分流进气口位置靠近主进气口时电池性能要好于分流进气口远离主进气口时，且当增加分流进气量时电池性能会提高，但是在分流进气口远离主进气口时，增加分流进气量会大幅度降低电池性能。实验发现分流设计的最优化结果为当分流进气口位置为SIP-30%，分流进气量为SFR-70%。与传统设计相比，此时燃料电池的极限电流密度有较大的提高且最大功率密度提升13.2%。另外，由实验结果与数值模拟结果对比可知，两者的趋势基本吻合。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 质子交换膜燃料电池简介

1.3 质子交换膜燃料电池的水管理

1.4 扩散层内液态水存在对气体扩散传质的影响

1.5 流场设计与水管理

1.6 本文的主要研究内容

第二章 扩散层氧气有效扩散系数的实验测量

2.1 氧气有效扩散系数的实验测量系统

2.2 干燥扩散层有效扩散系数的测量结果

2.3 含水扩散层氧气有效扩散系数的测量

2.4 本章小结

第三章 扩散传质对燃料电池性能影响的数值分析

3.1 质子交换膜燃料电池的三维两相模型

3.2 扩散传质对电池性能的影响

3.3 本章小结

第四章 阴极流道分流设计的数值模拟

4.1 分流设计的背景

4.2 数值模拟方法

4.3 数值模拟结果分析

4.4 本章小结

第五章 阴极流道分流设计的实验研究

5.1 分流设计燃料电池的实验系统

5.2 实验结果分析

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 全文创新点

6.3 工作展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢