質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴散層內(nèi)H2O傳遞機理研究.pdf

1、本文以質(zhì)子交換膜燃料電池在交通運輸、分布式電站、移動電源及航天等領域的廣泛應用前景為背景，著重研究了質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)內(nèi)氣體擴散層(簡稱擴散層，gas diffusion layer, GDL)中的H2O傳遞行為。從傳熱學、熱力學及流體力學基本理論出發(fā)，通過離線實驗研究手段以及模型研究，探討了擴散層內(nèi)關鍵參數(shù)對H2O傳遞特性的影響，并對該傳遞過程的微觀特征進行了理論探討，獲得對擴散層內(nèi)H2O傳遞機理的掌握。
　　通過

2、設計并建立離線可視化實驗臺，對液態(tài)水在擴散層中的突破過程進行了觀測研究，得到不同溫度下突破壓力值，發(fā)現(xiàn)突破過程存在一個固定流通通道，并且過程中壓力隨溫度變化趨勢為:隨著擴散層溫度的升高，液態(tài)水在其內(nèi)的突破壓力呈近似線性降低;擴散層表面突破液滴應及時吹掃，且蛇形流場板利于液滴的排出。
　　通過離線實驗，對水蒸氣在擴散層內(nèi)的凝結傳遞過程進行了觀測，發(fā)現(xiàn)了水蒸氣在經(jīng)過疏水處理的擴散層內(nèi)會發(fā)生凝結，且凝結液滴分散在擴散層內(nèi)孔隙中，隨著凝結

3、的持續(xù)發(fā)生，各個分散的凝結液滴有匯聚的趨勢并在一定條件下形成液態(tài)水突破擴散層的過程。同時通過測量不同擴散層疏水處理程度，即聚四氟乙烯(PTFE)載量以及微孔層(micro porous layer, MPL)對H2O凝結速率的影響，得出減小PTFE載量及增加微孔層能降低水蒸氣凝結速率進而減少傳質(zhì)極化的發(fā)生。
　　通過分別采用纖維網(wǎng)格模型及孔隙網(wǎng)絡模型對液態(tài)水突破擴散層的過程進行建模研究，發(fā)現(xiàn)模型能較好地預測突破過程。發(fā)現(xiàn)擴散層潤濕

4、性分布不均會導致突破壓力的增加;當擴散層具有較多大尺寸孔隙時，液態(tài)水的突破壓力較低且擴散層內(nèi)液態(tài)水飽和度較高。同時將孔隙網(wǎng)絡模型用于預測水蒸氣在擴散層中的凝結速率，發(fā)現(xiàn)增大孔隙率及平均孔徑、增加擴散層入口邊界溫度及擴散層兩端溫差能提高水蒸氣凝結速率，且擴散層內(nèi)凝結熱對其內(nèi)部溫度分布影響可以忽略不計。
　　通過分析進入催化層中產(chǎn)生H2O的微觀過程，得到進入擴散層中的H2O為水蒸氣和液態(tài)水共存狀態(tài);發(fā)現(xiàn)了水蒸氣在擴散層中的凝結受到碳纖