無增濕質子交換膜燃料電池水傳輸研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)動力系統(tǒng)高效、清潔、環(huán)境友好，成為內燃機最有力的競爭者，被認為是最有潛力的動力裝置之一。質子交換膜燃料電池的水管理是現(xiàn)在研究的熱點，增濕技術更是其中的關鍵技術，優(yōu)化電池內部水的運動可以降低電池對增濕的要求，達到無增濕的目的。本文圍繞擬采取的無增濕技術，采用數學建模的方法對質子交換膜燃料電池內部水傳輸和分布進行仿真分析，設計適用于無增濕質

2、子交換膜燃料電池的保水層，并研究其保水性能。
　　 首先，結合電池工作中的傳質和電化學反應特點建立了PEMFC沿流道方向的兩相二維穩(wěn)態(tài)模型。模型綜合考慮了電池中的動量守恒、質量守恒和電荷守恒，以及催化層中的電化學反應和擴散層中水的相變。通過比較模型計算結果與試驗結果驗證模型。采用所建模型研究了操作條件(電流密度和進氣相對濕度)對電池內部水傳輸和分布的影響。計算分析表明：(1)隨著電流密度的增加，膜中水的擴散作用和電滲作用都加強，

3、電滲作用較擴散作用增強得快，使水從陽極向陰極的凈遷移增強。膜的陰極側含水量逐漸增大，陽極側逐漸減小。陰極側擴散層的液態(tài)水飽和度逐漸增大，液態(tài)水增多，而陽極液態(tài)水逐漸減少，并且在大電流密度下幾乎沒有液態(tài)水存在。(2)保持陰極進氣飽和加濕，降低陽極進氣的濕度使電池性能下降，特別是在歐姆極化階段。保持陽極進氣飽和加濕，適當的降低陰極進氣濕度(RH=75％)可以提高電池工作的性能。為了保證質子交換膜燃料電池在較好的工況下運行，對電池進氣進行增濕

4、是非常有必要的。
　　 其次，采用所建模型研究了擴散層的特性參數(孔隙率、厚度、平均孔徑和親水性)對電池性能和保水性能的影響，結果表明：(1)在兩極進氣均飽和增濕的條件下，擴散層的孔隙率越大，厚度越薄，平均孔徑越小，疏水性越強，電池的性能越好，特別在高的電流密度下。微孔層起到排水作用，有利于提高電池性能。(2)在低增濕條件下，擴散層孔隙率越小，厚度越大，平均孔徑越小，親水性越強，對增強電池的保水性能越好。
　　 最后，在

5、上述研究的基礎上，為了在電池內保持住反應生成的水使膜濕潤，實現(xiàn)PEMFC的無增濕操作，提出在陰極的微孔層和擴散層之間增加保水層，并采用正交試驗的設計思想和模擬研究方法，確定了保水層的優(yōu)化設計方案。通過模型計算，分析比較帶有保水層的電池內水傳輸和分布情況。研究結果表明：(1)在孔隙率為0.4、厚度為100μm、平均孔徑為10μm、親水孔所占比率為60％時，帶有保水層的電池在低增濕條件下性能最佳；(2)保水層能保持住電化學反應產生的水，這對