碱性阴离子交换膜燃料电池水热管理的实验及仿真研究

摘要

随着人类社会的发展，人们对能源效率及环境保护的要求越来越高，燃料电池以其启动快、效率高、噪声低、污染小的特点得到了越来越多的关注。在燃料电池中，碱性阴离子交换膜燃料电池(Alkaline membrane fuel cell, AMFC)具有较高的电化学动力学特性、较低的贵金属催化剂依赖性以及较好的二氧化碳耐受性。因而，近年来受到了国内外广泛的讨论与研究。在AMFC的研究领域中，水热管理是制约其性能、成本和耐久性的关键因素之一。因此，研究其中的水热管理问题及传热传质过程，对了解 AMFC工作机理、制定水热管理策略具有十分重要的意义。
　　首先，本研究通过制备 AMFC膜电极、组装燃料电池、搭建实验系统，在不同工况条件下测试了AMFC的性能。结果表明，AMFC的激活过程分为两个阶段，第一个阶段为性能提升阶段，第二个阶段为性能衰减并达到稳定的阶段。同时，阴阳两极进气加湿能十分显著地提升电池性能，并且阴极进气加湿的作用更为明显。此外，负载的增加和减小分别会引起电流密度的过冲和下冲，而且过冲及下冲的幅度会随着负载变化的增加及加载时间的缩短而加剧。
　　其次，为了进一步了解 AMFC的水热管理及传热传质机理，本研究建立了AMFC全电池的三维多相流数值模型。该模型模拟了电池内部的化学反应、质量传输、动量传输、能量传递和水的相变等过程，并与实验结果吻合较好。
　　再次，通过建立的AMFC三维多相流数值模型，本研究分析了稳态条件下阴阳两极进气加湿、工作温度、膜厚度和膜电极疏水性等工况条件及设计参数对燃料电池性能及传热传质过程的影响。研究发现，阳极进气加湿可以提升AMFC性能，但其作用会随着加湿程度的增加而减弱。阴极进气加湿对性能的提升作用更加显著，并且高负载条件下，阴极流道中的液态水供给会进一步提高电池性能。
　　最后，本研究分析了AMFC对负载、阴阳两极进气加湿、工作温度等工况的动态响应。在循环负载工况中，负载的加载顺序对AMFC的性能有一定影响，并且加湿程度越低，影响越显著。此外，由阴阳两极进气相对湿度降低引起的膜态水及液态水的去除速度要快于由相对湿度增加而引起的补充速度。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

字母注释表

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 质子交换膜燃料电池 (PEMFC)

1.3 碱性阴离子交换膜燃料电池 (AMFC)

1.4研究内容及目标

第二章 实验方法与结果

2.1 膜电极制备及电池装配

2.2 实验系统

2.3 实验结果

2.4 本章小结

第三章 三维多相流全电池数值模型

3.1 计算域

3.2 假设条件

3.3 守恒方程

3.4 边界条件

3.5 数值方法

3.6 模型验证

3.7 本章小结

第四章 稳态分析

4.1 阳极加湿影响

4.2 阴极加湿影响

4.3 工作温度影响

4.4 膜厚度及膜电极疏水性影响

4.5 本章小结

第五章 瞬态分析

5.1 负载影响

5.2 阳极加湿影响

5.3 阴极加湿影响

5.4 工作温度影响

5.5 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢