摘 要

PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）是一种燃料电池, 主要副产物是水,具有无污染、低噪声、高效率、启动速度快等优点,PEM燃料电池在汽车上的运用是近年来国内外新能源研究领域研究的一大热点 ^[1]。

本文对PEM燃料电池的数学模型进行了介绍,这些数学模型主要包括了流体力学模型、电化学反应模型以及多孔介质中气体的传输模型。

接着,使用CATIA软件进行建模,并通过3D打印技术进行加工,然后根据模型和实验的有关参数以及PEM燃料电池的数学模型,计算边界条件,主要是三个模型实验时需要的进气速度和进水速度。然后构建实验系统,通过实验来反应流道中液态水从生成到排出流道的整个过程,观察不同结构的流道在实际工作的过程中的排水性能。

最后,基于实验结果进行灰度处理,对比分析三种不同长宽比例的模型在工作时的排水性能。结果表明,长宽比最小即扁宽型的模型2排水性能最好,长宽比最大即细长型的模型3排水性能最差。

本文的目的在于探究不同流场的排水情况,综合分析其性能,进行优化设计,主要工作如下:建立并打印实验模型,构建实验系统,分析不同流场的排水性能。

关键词:质子交换膜燃料电池;流场;排水实验

Abstract

PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) is a kind of fuel cell. The main by-product is water. It has the advantages of no pollution, low noise, high efficiency, and quick start-up. The application of PEM fuel cells in automobiles is a hot topic in the field of new energy research at home and abroad in recent years ^[1].

In this paper, the mathematical models of PEMFC are introduced. These mathematical models mainly include fluid mechanics models, electrochemical reaction models, and gas transmission models in porous media.

Then, using CATIA software modeling, and processing through 3D printing technology. Then the boundary conditions, which mainly contain the intake speed and the influent speed that are required for the three model experiments, are calculated based on the parameters of the model and the experiment and the mathematical model of the PEMFC.Then, an experimental system was constructed to reflect the entire process of the generation of liquid water from the flow channel to the discharge flow channel through experiments, and to observe the drainage performance of the flow channels of different structures during the actual work process.

Finally, grayscale processing was performed based on the experimental results to compare and analyze the drainage performance of the three different aspect ratio models. The results showed that the model 2 with the smallest aspect ratio, namely the flat-width type, had the best drainage performance, and the model 3 with the largest aspect ratio,the slender type, had the worst drainage performance.

The purpose of this paper is to explore the drainage conditions of different flow fields, comprehensively analyze their performance, and optimize the design. The main tasks are as follows: establish and print experimental models, construct experimental systems, and analyze the drainage performance of different flow fields.

Key words: proton exchange membrane fuel cell; flow field; drainage experiment

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的及意义 1

1.2 PEM燃料电池的构造与原理 2

1.2.1 PEM燃料电池的构造 2

1.2.2 PEM燃料电池的原理 3

1.3 PEM燃料电池流道研究综述 3

1.4 研究内容及方法 7

1.4.1 研究内容 7

1.4.2 研究方法 7

第2章 PEM燃料电池数学模型 8

2.1 基本流体力学模型 8

2.1.1 质量守恒方程 8

2.1.2 动量守恒方程 8

2.1.3 能量守恒方程 9

2.1.4 组分守恒方程 9

2.2 电化学反应模型 10

2.2.1 电化学方程 10

2.2.2 电流守恒方程 10

2.2.3 反应物消耗和水生成 10

2.3 多孔介质中气体的传输模型 11

2.4 本章小结 11

第3章 PEM燃料电池阴极流场排水实验 13

3.1 实验装置与方法 13

3.1.1 实验装置介绍 13

3.1.2 实验方法 14

3.2 边界条件 15

3.2.1 燃料电池堆的系统分析模型 16

3.2.2 燃料电池堆的平衡计算 17

3.3 高温PEM燃料电池阴极排水性能研究 21

3.3.1 流道的实验模型 21

3.3.2 结果及分析 22

3.4 本章小结 33

第4章 结论 35

4.1 全文总结 35

4.2 研究展望 35

参考文献 37

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

人类历史显示,能源技术的突破和创新都促进了社会的繁荣和人类的进步。但是随着人类社会的发展和进步,能源危机和环境污染等问题日益严重,因此开发并利用新能源是未来社会发展的必然趋势。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是便携式,移动式和固定式应用中最重要的替代清洁电源之一。PEMFC使用氢气作为燃料并且是最普遍的燃料电池类型,它们通过氢和氧之间的化学反应产生电流,燃料电池相比较常规电池,只要燃料和氧化剂充足,它就可以持续发电。它们产生低至零的排放,提供高功率密度,并可以于快速启动。PEMFC的商业化目前仍面临成本降低、紧凑性、高功率密度、长期耐用性和燃料经济性等具有挑战性的问题。燃料电池性能的提高和成本的降低要求加强设计和操作条件的优化,燃料电池操作和性能的必要改进可以通过更好地设计和优化燃料电池部件来实现^[1]。

1.1.2 研究目的及意义

经过几十年的长期技术改革,近年来燃料电池产业已经取得了长远的进步。很多证据表明,燃料电池产业正在进入全新的市场化阶段。这不仅体现在大量涌现出的完善的操作系统,也体现在燃料电池应用领域的不断扩大。这些增长情况表明,尽管燃料电池产业还处于起步阶段,但它已经具备了深厚的基础。燃料电池已经不再处于好奇的实验室研究阶段,而在成为一个切实可行并不断成长的行业。

PEM燃料电池是以氢气作为阳极反应气,空气作为阴极反应气体的一种发电装置,它的工作原理使其拥有了别的发电装置不能比拟的特性,响应速度快、耐久性好、功率密度高、模块化程度高、零排放是燃料电池的突出优点;它的能量转换效率远远高于内燃机,在通常行驶速度为50km/ h(≈5kW)时,采用天然气重整氢的PEMFC 电动车效率比内燃机的高出大约2倍;采用纯氢的PEMFC电动车效率可达6%左右,比内燃机的高出近3倍^[2]。因此,PEMFC被广泛认为是未来发电设备的最有前途的候选者,特别是在汽车和便携式电子应用方面。

PEM燃料电池在工作过程中需要将电化学反应生成的水及时排出流道,以免堵塞流道影响气体的传输进而影响燃料电池工作。本文采用不同结构的实验流道模型进行阴极流场排水实验,在现实情况基础上反映出流道中水的运动状态,综合分析其性能,进行优化设计。

1.2 PEM燃料电池的构造与原理

1.2.1 PEM燃料电池的构造

质子交换膜燃料电池系统的核心是电堆,其主要由扩散层,催化层,双极板和质子交换膜等部件组成,下面对其进行简要介绍,其结构如图1-1所示^[3]。

图1-1 燃料电池结构图

PEM燃料电池主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层和双极板组成。质子交换膜通常采用的是称为Nafion的全氟磺酸膜,其允许氢离子从阳极转移到阴极;然后是催化剂层,这些区域是发生氧化和还原反应的地点,催化剂层主要由Vulcan碳和铂颗粒组成;电极和电解质一起形成膜电极组件（MEA）,即燃料电池的主要组件;在催化剂层的旁边是气体扩散层,它们由碳纸或碳布制成,它们是多孔的允许反应气体在催化剂层上均匀分布的区域;最后,还有由石墨制成的双极板,其除了包含将反应气体供应到电化学装置中的通道之外,还为燃料电池提供机械支撑,以及分离燃料电池中阴极和阳级的催化剂。

1.2.2 PEM燃料电池的原理

质子交换膜燃料电池的化学反应过程和酸性电解质燃料电池相同,氢气在阳极发生氧化反应产生氢离子和电子,然后氢离子和氧气在阴极发生还原反应,此外,两个电极均含有促进电化学反应的催化剂,质子交换膜用来传递氢离子的介质,且只允许氢离子通过,而氢气失去的电子则从导线通过。其工作原理图如图1-2所示^[3]。

PEMFC电化学反应工作时,氢气和氧气分别被传输到电池的两极,氢气在阳极催化层的催化剂作用下分解成为H 和e^-,氧化反应生成的带负电的电子从外电路到达阴极,带正电的氢离子则是通过质子交换膜到达阴极,然后与阴极的氧气在催化剂的作用下发生还原反应,生成的水通过流道随着气体排出,其化学反应可以用以下方程表示:

阳极反应:   →2H 2e^-

   阴极反应: 1/2O₂ 2H 2e^- →H₂O  

总的反应:   H₂ 1/2O₂→H₂0

图1-2 PEM燃料电池工作原理图

1.3 PEM燃料电池流道研究综述

双极板上的流场结构对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能起着重要的作用。流场的科学设计可以优化反应介质的分布,明显提高PEMFC反应产物排放能力,PEMFC的效率将得到提高。因此,新型流场的设计和传统流场的优化都是重点工作。本文的参考文献从不同的角度对燃料电池流场的优化设计进行了讨论,其主要内容如下:

Johnson等人研究了流道的横截面结构对PEMFC性能的影响,他们通过改变流道的宽深比来控制流速进行对比分析,结果表明:合适的流速可以促进催化过程,防止反应产物不良残留^[4]。熊济时等人通过改变流道的长度,宽度和深度等结构尺寸研究其对传质性能的影响,结果表明:当直流道的深度为0.4mm,流道宽度与岸宽度的比值接近1:1和2:1时,电池的性能最好^[5]。

虽然PEMFC的使用量一直在增加,但是它们的商业化却受到诸如阴极水淹等技术问题的阻碍。由于PEMFC内流动通道的几何形状影响反应物传输,水管理和反应物利用效率,并因此影响PEMFC系统的最终性能,因此流场优化是缓解这些问题的一种方法。Ararimeh Aiyejina等人通过模拟PEMFC研究表明,具有小通道和肋条尺寸的蛇形流场在低工作电压下表现最佳,并且可以通过利用具有不同高度的发散通道进一步改善。此外,诸如挡板的附加装置已被证明可改善各种流道设计的性能 ^[6]。

Mahmoudimehr等人试图通过对各种尺寸的模型进行模拟来找出PEMFC的阴极的矩形横截面的最佳尺寸（即宽度和高度）。针对两种不同的目标函数（最大功率的最大化和一系列工作电压范围内的平均功率的最大化）以及不同的工作条件组（电池温度,工作压力和化学计量比）来执行优化过程和入口气体的相对湿度。得出以下观察结果:首先,横截面尺寸对PEMFC性能的影响是相当大的,并且这种相当大的影响不限于特定的一组操作条件;其次,PEMFC的性能可能随着通道宽度或高度变化并得到改善,这取决于其操作条件以及其当前尺寸;第三,对于不同的工作条件组,没有单一的最优横截面;第四,两个不同横截面的极化曲线可能相交,一个横截面可以具有较大的最大功率,但与另一个相比,平均功率较低;第五,在所有操作参数中,入口气体的相对湿度对最佳横截面尺寸具有最大影响^[7]。

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