質(zhì)子交換膜燃料電池擴散層形變及其對電池傳輸特性和性能影響的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,PEMFC)作為通過電化學(xué)反應(yīng)直接把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、功率密度高、啟動快、對環(huán)境友好等優(yōu)點,被廣泛的認為是未來最有發(fā)展前途的清潔能量轉(zhuǎn)換裝置。而在各組件通過裝配壓力連接在一起的過程中,起到支撐作用的氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL),其多孔結(jié)構(gòu)也會遭到破壞,這對水的傳

2、輸尤其是排出帶來很大的影響,給PEMFC的水熱管理以及性能帶來新的問題。本文結(jié)合數(shù)值模擬和實驗方法,對裝配壓力引起的GDL的機械特性以及電化學(xué)反應(yīng)和性能的變化進行深入系統(tǒng)的研究,以掌握其影響規(guī)律。論文主要工作如下:
　　(1)通過實驗的方法對在PEMFC中GDL的壓縮模量進行測定,經(jīng)過多次測量的平均得到其值為5.53 MPa,并利用經(jīng)驗公式進一步分析了得到在600N的作用力下,GDL的孔隙率已經(jīng)從初始的0.78下降至0.2左右,滲

3、透率的變化也達到一個數(shù)量級之多。
　　(2)利用有限元方法(Finite Element Analysis,FEA)研究了裝配壓力對PEMFC中GDL變形情況的影響。研究結(jié)果表明隨著裝配壓力的不斷增加,脊部下方的GDL會發(fā)生不同程度的變形,而流道下方的GDL則基本不發(fā)生變形。
　　(3)對自行組裝的燃料電池進行了不同操作條件下的性能測試,并得到進氣壓力為0.2MPa,進氣溫度為70℃,而進氣相對濕度為100％時,電池的性能相

4、對最好。并在此基礎(chǔ)上得到不同裝配壓力下所對應(yīng)的PEMFC性能曲線,研究結(jié)果表明PEMFC的性能并不是隨著裝配壓力的升高而一直變好的,在高電流密度的時候,電池性能甚至?xí)霈F(xiàn)一定程度的下降。
　　(4)基于FEA的研究結(jié)果,通過自行編譯程序建立三維兩相流的PEMFC模型,模擬的結(jié)果表明初始厚度相對較厚的GDL可以承受更大的裝配壓力,但是電池的性能較差。較厚的膜材料會使得電池的性能下降,但是會使得陽極CL的水含量升高。GDL傳輸參數(shù)的各