摘 要

我国航空航天事业正在高速发展的进程中，动力系统作为航天器的重要组成部分，其发展在一定程度上决定了航天事业的下限。因此，比功率和比能量高、低污染、低噪音、启动快、寿命长的质子交换膜燃料电池在将来的航天领域会有重要的应用。

因航天器工作环境的特殊性，本文对阴阳极闭口模式的质子交换膜燃料电池进行研究。阳极通入纯氢气，阴极通入纯氧气，尾气使用脉冲排放。采用流体力学软件Fluent对空间燃料电池进行建模，并对空间燃料电池运行特性进行模拟仿真，根据空间燃料电池的运行特性及操作特点，对阴阳极联合排放策略进行优化，以提高气体利用率及电池性能。

本文主要研究了不同操作条件下阴阳极闭口质子交换膜燃料电池的运行特性和排放特性。研究结果表明：稳态运算下，电流密度越低，阳极氢气分布更多，阴极氧气分布更多，电池内水分布更少；阴阳极进气压力越大，阳极氢气分布更多，阴极氧气分布更多，电池内水分布更少；温度在一定范围内越高，阳极氢气分布更少，阴极氧气分布更少，电池内水分布更多。瞬态计算研究发现，阴阳极同时排放时的水排放速率大于阴极单独排放时的速率，阴阳极同时排放的排放策略能够更快速地恢复电池性能。因此，根据实验数据，单独阴极排放时，阴极单独排放持续排放时间更长，排放持续时间定为12ms较为合适；阴阳极同时排放持续排放时间更短，时间定为4ms较为合适。

关键词：质子交换膜燃料电池；阴阳极闭口；操作条件；运行特性；排放策略

Abstract

In the process of rapid development of Chinese aerospace industry, the power system is an important part of the spacecraft, and its development determines the lower limit of the aerospace industry to a certain extent. Therefore, proton exchange membrane fuel cells with high specific power and high specific energy, low pollution, low noise, fast start-up and long life will have important applications in the future aerospace field.

Due to the particularity of the working environment of the spacecraft, this paper studies the proton exchange membrane fuel cell with closed anode and cathode mode. The anode is fed with pure hydrogen, the cathode is fed with pure oxygen, and the tail gas is discharged by pulse. The fluid mechanics software Fluent is used to model the space fuel cell, and the operating characteristics of the space fuel cell are simulated. According to the operating characteristics and operating characteristics of the space fuel cell, the cathode and anode combined emission strategy is optimized to improve gas utilization and Battery performance.

The thesis mainly studies the operating characteristics and emission characteristics of cathode and anode closed proton exchange membrane fuel cells under different operating conditions. The results show that under steady-state operation, the lower the current density, the more anode hydrogen is distributed, the cathode oxygen is distributed more, and the battery has fewer water steps; the greater the anode and cathode inlet pressure, the more anode hydrogen is distributed, and the cathode oxygen is distributed More, there are fewer moisture steps in the battery; the higher the temperature within a certain range, the smaller the anode hydrogen distribution, the cathode oxygen distribution, and the more moisture steps in the battery. The transient calculation study found that the water discharge rate when the cathode and anode are discharged simultaneously is greater than the rate when the cathode is discharged alone, so the simultaneous discharge strategy of cathode and anode can restore battery performance more quickly. In the case of single cathode discharge, the continuous discharge time of the separate cathode discharge is longer, and the discharge duration is set to 12ms; the continuous discharge time of the cathode and anode is shorter, and the time is set to 4ms.

Key Words：Proton exchange membrane fuel cell；Dead-ended cathode and anode；Operating conditions；Operating characteristics；Purge strategy

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 阴阳极全闭口运行燃料电池运行及脉冲排放 2

1.4 研究内容与方法 2

第2章 PEMFC数学模型 4

2.1 质子交换膜燃料电池简介 4

2.1.1 质子交换膜燃料电池结构原理 4

2.1.2 质子交换膜燃料电池的应用 5

2.1.3 阴阳极全闭口质子交换膜燃料电池结构原理 5

2.2 模型假设 6

2.3 基本流体力学基本模型 6

2.4 电化学反应模型 7

2.4.1 电荷守恒方程 7

2.4.2 电化学动力学方程（B u t l e r - V o l m e r 方程） 7

2.5 极化曲线 8

2.6 本章小结 9

第3章 阴阳极闭口PEMFC的稳态运行特性研究 10

3.1 网格模型建立 10

3.1.1 几何模型 10

3.1.2 网格划分 11

3.2 边界条件和计算方案 12

3.3 模型验证 13

3.4 结果与分析 14

3.4.1 电流密度对运行特性的影响 14

3.4.2 进气压力对运行特性的影响 22

3.4.3 运行温度对运行特性的影响 28

3.5 本章小结 34

第4章 阴阳极闭口PEMFC的瞬态运行及排放特性研究 35

4.1 阴阳极闭口PEMFC瞬态运行分布特性 35

4.2 阴极排放的运行及排放特性 36

4.3 阴阳极同时排放的运行及排放特性 40

4.4 本章小结 43

第5章 总结与展望 44

5.1 总结 44

5.2 展望 45

参考文献 46

致 谢 49

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

航天实力是一个国家科技能力的重要体现。能源系统在航天器中的作用不言而喻。由于质量、体积、可靠稳定性等方面的限制，目前搭载的卫星太阳能电池供电系统不具有长时间高功率输出，反应速度快，安全性好等特点，很难满足新的太空攻防技术的需求^[1]。因此，能源系统的升级改造刻不容缓。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的比功率和比能量高、性能稳定、低温启动快、低污染、寿命长^[2]。因此，PEMFC被认为是将来最有应用前景的能源装置之一，大量能源行业的研发人员都在为了PEMFC的更好应用潜心研究。凭借着其优秀的性能表现，质子交换膜燃料电池(PEMFC)能够基本满足未来空间事业对能源系统应用的需求。

1.2 国内外研究现状

美国在上个世纪的60年代对燃料电池的研究初有成效，在空间站以及通信卫星等场所有重要作用。具有代表性的是美国航天局（NASA）成功在“双子星座”飞行器、和航天飞船上使用了碱性燃料电池^[3]。不尽如人意的是，它的电解质液会破坏电解质膜，损害燃料电池。其次，其电解质溶液还会污染反应生成的H₂O ^[4]。于是，美国航天局（NASA）另辟蹊径，将质子交换膜燃料电池PEMFC的应用提上日程。质子交换膜燃料电池PEMFC如前文所说，其性能优势十分明显，很快就被快速应用。此外，欧空局（ESA）也大力发展氢氧燃料电池，其性能与寿命水平远优于传统能源系统^[5]。质子交换膜PEMFC在航空航天领域的重要性可见一斑。在乘用车领域，丰田、本田等汽车厂商都曾在PEMFC上投入较大的研发成本，并推出量产车型^[6]。

国内对燃料电池的研发起步得较晚。直到1995年，我国的燃料电池事业正式步入正轨。20多年来，燃料电池的发展已有一定成效。最近，以车企为代表的社会群体纷纷涌向氢能燃料电池的领域。这是由于国家对于这块领域的高度关注和资金投入。质子交换膜燃料电池PEMFC的研发起步相对更晚，但是凭借其相较于其他燃料电池的性能优越之处，目前质子交换膜燃料电池PEMFC的发展势头较为迅猛。其在海陆空各领域内是具有非常大的应用前景的^[7-9]。在民用领域内，具有代表性的有“春晖一号”、“超越一号”、“楚天一号”等一系列燃料电池乘用车^[10]。可见在民用领域，PEMFC的发展也是较为可观的。随着PEMFC技术的不断发展进步，日常生活会越来越多地运用到它。