一種采用新型進氣方式的質(zhì)子交換膜燃料電池的性能研究.pdf

1、燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、無污染地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。作為一種能夠利用清潔能源的裝置,在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天它受到越來越多的關(guān)注。同時燃料電池以其能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用方便和環(huán)境友好等優(yōu)點,在各類便攜式電子產(chǎn)品和微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以其燃料來源豐富、室溫啟動快等優(yōu)點成為燃料電池研究中的熱點。
　　在有關(guān)質(zhì)子交換膜燃料電池的研究中,水和熱的

2、管理占有重要地位,一直受到國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。盡管國內(nèi)外許多學(xué)者在質(zhì)子交換膜燃料電池水和熱管理的研究上取得了一些重要的成果,然而他們都沒有提出一種可以同時解決干涸和水淹的可行方案。這是因為水淹的解決辦法之一是減少陰極進氣的初始含濕量,但這種方法會導(dǎo)致在流道入口處附近質(zhì)子交換膜出現(xiàn)干涸現(xiàn)象,而保證了流道入口處膜的含濕量又會導(dǎo)致在流道后期易于發(fā)生水淹現(xiàn)象,即干涸和水淹在水管理的要求上相互矛盾。本文針對上述問題提出了分流陰極進氣加濕方式,以

3、期同時改善燃料電池的抗水淹和干涸的能力。
　　這種分流式進氣方式時在傳統(tǒng)的進氣方式的基礎(chǔ)上,通過一條副流道,將干燥的陰極反應(yīng)氣體分為兩部分,一部分直接通入陰極流道后期的某個固定位置,以降低陰極流道后期的液態(tài)水含量,另一部則經(jīng)過完全加濕后,直接通入陰極流道,以滿足流道前期膜要保濕的要求。
　　為了深入研究這種分流式進氣方式在水管理上的效果,本文設(shè)計了一塊陰極可視化的多直流道燃料的電池并建立了一個計算簡潔的二維兩相流模型。實驗結(jié)

4、果表明,與傳統(tǒng)式進氣方式相比,這種分流式進氣方式可以明顯改善陰極流道內(nèi)的排水效果,可以在遏制流道前期發(fā)生干涸的同時,降低流道后期發(fā)生水淹的危險程度。實驗和模擬的結(jié)果同時揭示了分流氣體流量對電池輸出性能的影響規(guī)律:分流氣體流量對電池的干涸與水淹程度與發(fā)生位置有著決定性的影響,當(dāng)只進行一次分流時,合流節(jié)點位置應(yīng)選在距離流道入口處20％~40%流道長度區(qū)間內(nèi),分流流量應(yīng)相對地選在總流量的50%~40%之間。模擬結(jié)果同時顯示,應(yīng)用這種新型進氣方