質子交換膜燃料電池水熱管理研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）是一種直接將化學能轉化成電能的發(fā)電裝置。它不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換效率高，只要有足夠的氫氣和氧氣，就可以長時間連續(xù)運行。因能量轉換效率高、噪音低、燃料來源廣、無排放（反應產(chǎn)物為水）等優(yōu)點，燃料電池已成為一種優(yōu)秀的動力源，可用于備用電源、汽車、小型電站及軍用領域，應用前景極為廣泛。燃料電池水熱管理對電池性能有重要影響，現(xiàn)階段缺少對燃

2、料電池堆內的溫度分布研究，同時缺少系統(tǒng)且簡便有效的水管理方法。本文對燃料電池堆內溫度分布、液滴重力和尾氣冷凝在電池排水中的應用進行了研究。
　　通過數(shù)值模擬的方法，本文研究了氣體擴散層表面在不同條件下溫度分布特性，結果顯示：在不同操作條件下，擴散層（Gas Diffusion Layer, GDL）溫度沿流道方向均上升，GDL表面溫度在進口段溫度升高幅度要大于電池出口段，流道表面擴散層溫度低于岸下溫度；電池操作壓力升高可提高擴散層

3、表面溫度均一性；反應氣體流量增大時，進口段GDL溫度升高，出口段溫度降低，GDL表面溫度隨進氣溫度升高而升高。
　　本文通過將微型熱電偶置于陰極流場，對燃料電池堆進行溫度檢測，研究了不同操作條件對質子交換膜燃料電池溫度分布的影響。結果顯示，當反應氣體為空氣與氫氣時，電堆內溫度沿流道入口至出口逐漸升高；隨著工作電流密度的升高，電堆中各單電池內溫差隨之增加；電堆中溫度呈現(xiàn)中間高兩邊低的“上凸曲線”分布；隨著空氣流量的增大，單電池內溫差

4、逐漸減?。贿M口空氣溫度對電堆內溫差影響不大；增大冷卻水流量，電堆內溫度均一性增加。當反應氣體為氧氣與氫氣時，不同操作條件下，堆內最高溫度處于電池堆出口處；隨著電流密度的增加，各單電池內的溫差增大；冷卻水流量減小，電池堆內溫差變大，溫度升高；增大反應氣體壓力，電池堆中的溫度分布更均勻。
　　通過對液滴受力進行理論分析，設計并制作重力輔助排水單電池，并實驗研究了低流速重力輔助排水電池性能。結果顯示，自身重力有利于液滴脫離氣體擴散層，使

5、液態(tài)水有效排出電池堆。電池水平放置陰極向下運行時，液滴重力與其脫離氣體擴散層方向一致，電池性能最佳；電池豎直放置測試時，液滴重力與氣體吹掃液滴排出電池方向一致，其向外排水能力最強。反應氣體流速較低時，提高不同放置方式電池溫度，電池性能均上升；電池豎直放置運行時，氣體加濕對電池性能影響不大。電池測試時，應該避免電池陰極水平向上。
　　質子交換膜燃料電池陰極尾氣中含有大量高溫飽和水蒸氣，通過對其冷凝可以分離出大量的高純度液態(tài)水，用于進

6、氣加濕，實現(xiàn)電池的自加濕運行。同時，對尾氣冷凝電池性能研究分析后發(fā)現(xiàn)，尾氣冷凝還能增強電池的水管理能力，提高出口附近電池的性能。在尾氣冷凝過程中，冷凝器的散熱主要以液態(tài)水的相變潛熱為主。冷凝器的散熱量隨反應氣體過量系數(shù)的增大而增大，隨電池堆出口壓力的增大而減小。在保證電池堆的自加濕條件下，電池堆運行溫度越高，所需冷凝器的換熱量越大。
　　本文從數(shù)值模擬、理論分析和實驗測試三方面對質子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其運行特性進行了深入研究，系