質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、燃料技術以及后處理技術改造傳統(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上的燃料電池汽車日益引起人們的關注。質子交換膜燃料電池(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)學模型，并應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探針成功應用于PEMFC流道內氣液兩相流流型研究工作中。提出一種質子交換膜燃料電池-內燃機聯(lián)合驅動系統(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/陽極側流道和擴散層、催化層以及質子交換膜在內的三維、兩相、非等溫數(shù)學模型。通過自定義程序，把所建立的模型耦合到計算流體力學(CFD)軟件中進行求解，對基本工況下平行流場PEMFC包括陰/陽極側流道在內的全流場進行統(tǒng)一的計算，仿真結果與實驗數(shù)據吻合較好。說明建立的模型及其求解技術可以仿真不同工況下平行流場和交指流場PEMFCs內部相互耦合的三維、兩相物質的流動、傳熱、傳質和電化學特性。該模型同時考慮了包括PEMFC陰極/陽極側流道

4、和氣體擴散層、催化層以及質子交換膜在內的三維特性、兩相特性和非等溫特性，仿真真實性得以改善。 ⑶PEMFC的流場結構形式對其內部物質傳質機理、進而對其電化學特性、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)學模型，分別對平行流場和交指流場PEMFCs包括陰/陽極側流道在內的全流場進行統(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量分數(shù)分布、陽極流道和氣體擴散層中的氫氣質量分數(shù)分布、流道和氣體擴散層中的氣態(tài)水和液態(tài)水的質量分數(shù)分布、質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的PEMFC性能影響因素進行了排序，排序結果由大到小為：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、提高反應氣體進氣速度和流道出口壓力、減小質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)值仿真結果表明，建立的數(shù)學模型能夠為PEMFC提供詳細的三維、兩相、非等溫的流動和傳輸參數(shù)分布和電化學性能分布：能夠對電池的設計和運行參數(shù)進行優(yōu)化。用三維、兩相、非等溫的數(shù)學模型對交指流場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。而關于PEMFC內部工質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PEMFC運行時陰極氣體和水的流量，自行設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探針流型測試技術成功應用于PEMFC流道內氣液兩相流流型研究。研究結果表明：PEMFC仿真流道氣液兩相流流型雙平行電導探針測試系統(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根據質子交換膜燃料電池的特點，提出一種質子交換膜燃料電池.內燃機聯(lián)合驅動系統(tǒng)，采用質子交換膜燃料電池和內燃機聯(lián)合驅動大巴，同時燃氣空調機為大巴提供冷風/熱風，并對此系統(tǒng)進行了物質平衡計算和熱平衡計算。計算結果表明，該系統(tǒng)的總效率可達50％以上，高于目前內燃機的效率，且此系統(tǒng)可以