论文部分内容阅读
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC),以其高效率、低污染等优点成为21世纪理想能源。作为PEMFC的关键部件,双极板内的流道形式及其电化学性能是目前研究的焦点。本文以PEMFC为研究对象,通过数值模拟,对PEMFC流道内气体的流动、水的传递、多孔介质中的气体扩散以及活性区域内的电化学反应等工作过程进行研究,主要工作和结论如下:(1)根据PEMFC电化学反应理论建立了三维、稳态、恒温PEMFC的计算模型。利用多物理场直接耦合分析软件(COMSOL Multiphysics)对采用PEMFC单体内流动和传质过程进行了数值模拟和计算研究。(2)在相同的条件和几何参数下,对直流道PEMFC的极化曲线进行了仿真与实验,并对结果进行仔细比较。结果表明:模拟极化曲线与实验结果相吻合,验证了该模型的可靠性。(3)对平行流道、螺旋流道、蛇形流道以及多路蛇形流道PEMFC进行了数值模拟,并对四者的阳极扩散层氢气分布特性、阳极流道压力分布特性、阴极扩散层气体分布特性、阴极流道水分布特性以及电化学特性进行了对比研究。研究结果表明:在较高的阳极进气速度下,四种PEMFC都能保证较好的阳极扩散层氢气分布特性,而当阳极进气速度不断降低时,仅有螺旋流道、多路蛇形流道PEMFC能够保持良好的阳极扩散层氢气分布特性,其余两种PEMFC阳极扩散层氢气分布呈明显的不均匀态势;多路蛇形流道PEMFC的阳极压降最为适中,即保证了气体分布所需压降,又不会因为压降过高而增加外部设备的负担;多路蛇形流道PEMFC扩散层中氧气分布均匀程度、流道的排水能力均优于其余三种PEMFC。(4)对比分析了不同流道布置形式(2、3、4、5)路蛇形流道PEMFC的性能变化,研究结果表明:5路蛇形流道PEMFC进气均匀性以及排水能力优于其余3种PEMFC;5路蛇形流道PEMFC的同电位下的电流密度以及最大功率密度均大于其余3种PEMFC。(5)在保证其余条件不变的前提下,通过改变阴极进气速度,研究进气速度对5路蛇形流道PEMFC扩散层氧气分布、流道内水分布以及电化学性能的影响。研究结果表明:扩散层氧气浓度差、流道内最大水含量随着进气速度的增加而降低,平均电流密度随着进气速度的增加而增加,三者在变化趋势上保持一致性;每个参数都在速度增加到一定值后趋于平稳,这说明由于电催化剂效率有限导致电化学反应在反应物(氧气浓度)增加后达到一定的限度,最终趋于化学平衡状态;根据各个参数随进气速度的变化规律,可将参数随进气速度的变化阶段分为0.1m/s-0.4m/s范围内的快速变化阶段,0.4m/s~1.2m/s范围内平稳变化阶段以及1.2m/s~2.0m/s范围内的缓慢变化阶段。(6)在阴极进气速度为0.1m/s时,通过改变5路蛇形流道PEMFC流道的宽度、深度,探究不同宽度-深度组合对其性能的影响。研究结果表明:就浓度差方面而言,最佳宽度-深度尺寸为宽度1.04-1.08&深度1.9-2.0、宽度1.28&深度1.9-2.0、宽度1.40&深度2.0;就水含量而言,流道的宽度-深度最佳组合为宽度1.32-1.40&深度1.9-2.0;就平均电流密度而言,最佳宽度-深度组合为宽度1.36-1.40&深度1.9-2.0。