（载运工具运用工程专业论文）高温pem燃料电池的流场设计与优化.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 葺哔 关于论文使用授权的说明 日期：鲨! ! ：兰垒! 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。 躲绰导撬眺删 o 八 、 ￥ 弋、7 摘要 传统的p e m 燃料电池一般是低温燃料电池，工作温度大约在8 0 0 c 以下。 相比而言，高温p e m 燃料电池( h t - p e m f c ：h i g ht e m p e r a t u r ep r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l l ) 可简化燃料电池的水管理和热管理系统。近年来，高温p e m 燃料电池的流场设计也逐渐成为研究的重点。 本文首先介绍了p e m 燃料电池c f d 模拟的基本数学模型，主要包括流体 力学基本控制方程、电化学反应模型以及电池内部的气体扩散模型等理论知识。 基于某高温p e m 燃料电池堆，主要从流道级别和流场级别，通过理论计算 提出了单电池的基准方案，模拟了单电池的性能。在此方案基础上考虑不同流 道结构参数的影响，提出了三个优化方案，并对其进行了比较。结果表明：在 相同的结构参数和运行参数条件下，高温p e m 燃料电池和常温p e m 燃料电池 的各项性能指标存在着较大的差别；对于9 5 的质子交换膜燃料电池，采用流 道宽度l m m 、岸宽l m m 、流道高度0 4 m m 的平行直流道时电池性能最佳。 分析了阴极不同加湿度对电池性能的影响，重点讨论了三个特征电流密度 下影响燃料电池性能的各个因素。其中，相对进气湿度对电池性能的影响主要 体现在进气氧气分压的差异上，不同的氧气分压使电池内部的压降变化较大； 根据n e m s t 公式，氧气分压对电池的影响体现在氧气浓度对燃料电池电极动力 学上；浓差极化范围内( 3 0a c m 2 时) 的膜中水含量和m e a 的氧气摩尔浓度均 小于欧姆极化范围内( 1 2 a c m 2 时) 的指标，这是电池性能快速下降的主要原因。 基于前述计算和分析的结果，模拟了一种新型的蜂窝型流场的单电池性能， 并和传统的平行流场单电池性能作对比。当开孔率为5 0 时，一层六边形单元 蜂窝流场和圆形单元蜂窝流场表现出最佳的电池性能。对于新型蜂窝型流场， 从理论上来分析，分形的层数越多，单电池性能越好。但是在实际的生产中， 对于不同尺寸要求的蜂窝型流场，都有一个适合自身的最佳分层数，而并非分 形层数越多越好。在相同的操作条件和边界条件下，二层结构流场的电池性能 明显优于传统的平行流场。二层圆形单元蜂窝流场气体流动过程中没有出现局 部流动死角和扰流现象，所表现出的电池性能也稍强于六边形单元蜂窝流场。 关键词：高温；质子交换膜；燃料电池；流场设计；优化 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l s ( p e m f c ) i sg e n e r a l l y l o w - t e m p e r a t u r ef u e lc e l l sw h i c hr e q u i r e ss t r i c tg a sh u m i d i t ya n dc o o l i n gs y s t e m , w h i l eo p e r a t i o no fp e mf u e lc e l l sa th i g h - t e m p e r a t u r e ( 8 0 c ) i sc o n s i d e r e da n e f f e c t i v ew a yt oi m p r o v ep e r f o r m a n c ei nt e r m so fr e a c t i o nk i n e t i c s ，c a t a l y s tt o l e r a n c e ， h e a tr e j e c t i o na n dw a t e rm a n a g e m e n t t h e r e f o r e ，h i g h - t e m p e r a t u r ep e mf u e lc e l l s h a v er e c e i v e dw i d ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s a tf i r s t , t h eb a s i ct h e o r yo fh i g h - t e m p e r a t u r ep r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e l c e l li sd e s c r i b e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fc o m p u t e rs i m u l a t i o ns u c ha st h e c o n t r o le q u a t i o n so fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n e q u a t i o n sa n dt h eg a sd i f f u s i o ni nt h ef u e lc e l l sa r ei n t r o d u c e d t h r e es i n g l ec e l lb a s e c a s e sw e r eo b t a i n e db yt h e o r yc a l c u l a t i o no ft h e i rp r e s s u r e l o s s e si nt h i si n v e s t i g a t i o nw h i c hb a s e do nah i g h - t e m p e r a t u r ep e mf u e l c e l l s ， i n c l u d i n gp a r a l l e ls t r a i g h t f l o w f i e l d ，m u l t i - s e r p e n t i n e f l o wf i e l dia n d m u l t i s e r p e n t i n ef l o wf i e l di i b a s e do nt h ef l u e n ts i m u l a t i o n , t h ep a r a l l e ls t r a i g h t f l o wf i e l do p e r a t e dt h e b e s tp e r f o r m a n c e t h e nt h r e e o p t i m a lp r o g r a m sw e r e d e v e l o p e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eb a s e do nt h es i m u l a t e dr e s u l t s ，w h i c ht o o ki n t o a c c o u n td i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h ef l o ws t r u c t u r e t h e r ew e r et h r e ea s p e c t sf o rt h e a n a l y s i ss u c ha sm e m b r a n ew a t e rc o n t e n t , m o l a rc o n c e n t r a t i o no fo x y g e nd i s t r i b u t i o n a n dc u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o nb e t w e e nc a t a l y s tl a y e ra n dd i f f u s i o nl a y e ri n t e r f a c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tw a st h eb e s tf o r9 5 cp e mf u e lc e l l st oa d o p tp a r a l l e lf l o w f i e l d as e to fo p t i m u mv a l u e sw e r ef o u n df o rt h ep a r a l l e lf l o wf i e l d , i nw h i c hb o t h c h a n n e lw i d t h sa n df i bw i d t h sw e r elm m , a n dt h eb e s tc h a n n e lh e i g h tw a so 4 m m a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ea n a l y s i so nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tc a t h o d a lr e l a t i v eh u m i d i t yi s c o n s i d e r e d , f o c u s i n go nt h r e ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n td e n s i t y a n d ，t h er e l a t i v e a i ra d m i s s i o nh u m i d i t ym a i n l ym a n i f e s t st ot h eb a t t e r yp e r f o r m a n c e si n f l u e n c ei nt h e a i ra d m i s s i o no x y g e nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r ed i f f e r e n c e ，t h ed i f f e r e n to x y g e nd i f f e r e n t i a l p r e s s u r ec a u s e st h eb a t t e r yi n t e r n a lp r e s s u r ed r o pc h a n g et ob eb i g a c c o r d i n gt ot h e n e r n s tf o r m u l a , t h eo x y g e nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r et h ei n f l u e n c em a n i f e s t st ot h eb a t t e r y i n t h e o x y g e nd e n s i t y t ot h e f u e lc e l le l e c t r o d ed y n a m i c s i nc o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o ns c o p e ( w h e n 3 0a c m 2 ) i nm e m b r a n ew a t e rc o n t e n ta n di nm e a o x y g e n m o l a rd e n s i t yb e i n gs m a l l e rt h a no h m i cp o l a r i z a t i o ns c o p e ( w h e n1 2 a e r a z ) t a r g e t , w h i c hi st h ep r i m a r yl e a s o nf o r t h ep e r f o r m a n c ed r o p b a s e do nt h ef o r e m e n t i o n e dc o m p u t a t i o na n dt h ea n a l y s i sr e s u l t , an e w h o n e y c o m bf l o wf i e l di ss i m u l a t e da n dm a k e st h ec o n t r a s tw i t ht h et r a d i t i o n a lp a r a l l e l f l o wf i e l dc e l lp e r f o r m a n c e w h e nt h ep e r c e n t a g eo p e na r e ai s5 0 ，ah e x a g o nu n i t h o n e y c o m bf l o wf i e l da n dt h ec 打c u l a ru n i th o n e y c o m bf l o wf i e l dd i s p l a y st h eb e s t b a r e r yp e r f o r m a n c e r e g a r d i n gt h en e wh o n e y c o m bf l o wf i e l d ，c o m e su pt h ea n a l y s i s f r o mt h et h e o r y , t h ef r a c t a ll a y e ra r em o r e ，t h ec e l lp e r f o r m a n c ei sb e t t e r b u ti nt h e a c t u a lp r o d u c t i o n , r e g a r d i n gt h ed i f f e r e n ts i z er e q u e s t sh o n e y c o m bf l o wf i e l d , s o m e s u i t so w nb e s tl a m i n a t i o nn u m b e r , b u tb y1 1 0m e a n sf r a c t a ll a y e rb e a e r u n d e rt h e s a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o na n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n , t w os t r u c t u r ef l o wf i e l d s b a t t e r yp e r f o r m a n c es u r p a s s e st r a d i t i o n a lo b v i o u s l yt h ep a r a l l e lf l o wf i e l d i nt w o c 打c u l a ru n i th o n e y c o m bf l o wf i e l df l o wo fg a sp r o c e s sh a sn o tp r e s e n t e dt h el o c a l f l o wd e a da n g l ea n dt h eb u r b l ep h e n o m e n o n , d i s p l a y st h ef u e l c e l lp e r f o r m a n c e s l i g h t l yi sa l s os t r o n gi nt h eh e x a g o ns h a p eu n i th o n e y c o m b f l o wf i e l d k e yw o r d s ：h i l g ht e m p e r a t u r e ；p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ；f u e l c e l l ：f l o w f i e l d , d e s i g n , o p t i m i z a t i o n l l i 目录 摘! 要i a b s t r a c t i i 目录 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 燃料电池一1 1 1 2p e m 燃料电池的结构一2 1 1 3p e m 燃料电池的工作原理3 1 1 4 高温p e m 燃料电池5 1 2 文献综述5 1 2 1 高温p e m 燃料电池的流场设计研究5 1 2 2 进气加湿度对高温p e m 燃料电池的影响8 1 2 3 高温p e m 燃料电池的新型流场探索9 1 3 本文工作1 l 第2 章高温p e m 燃料电池的数学模型1 2 2 1 计算流体力学模型1 2 2 1 1 质量守恒方程1 2 2 1 2 动量守恒方程1 2 2 1 3 能量守恒方程1 3 2 1 4 组分守恒方程1 3 2 2 燃料电池中的电化学反应模型1 4 2 2 1b u t l e r - v o l m e r 方程1 4 2 2 2 电流守恒方程一1 4 2 2 - 3 开路电压控制方程l5 i v 2 2 4 反应物消耗和水生成1 5 2 3 膜中水传输模型。1 6 2 3 1 电迁移l6 2 3 2 浓差扩散1 6 2 3 3 压差扩散17 2 4 本章小结1 7 第3 章高温p e m 燃料电池的流场结构设计与优化1 8 3 1 几何模型与网格划分1 8 3 2 物性参数与操作条件1 9 3 3 模型假设一2 0 3 4 结果及分析一2 0 3 4 1 不同流场结构的比较一2 0 3 4 2 流道的尺寸优化2 5 3 5 本章小结一2 8 第4 章阴极加湿对高温p e m 燃料电池性能的影响2 9 4 1 几何模型与网格划分一2 9 4 2 物性参数和操作条件3 0 4 3 模型假设一3 l 4 4 结果与分析一3l 4 4 1p e m 燃料电池中相对湿度的数学模型3 1 4 4 2 不同r h 条件下电池的性能3 4 4 4 3r h 对氧气和氢气分压的影响3 5 4 4 4 电化学反应动力学的影响3 7 4 4 5 膜中水含量的影响4 0 4 4 6 氧气摩尔浓度的影响4 2 4 5 本章小结4 4 第5 章新型蜂窝型流场模拟4 5 5 1 蜂窝型流场基本理论一4 5 v 5 1 1 生成原理4 5 5 1 2 蜂窝型分形流场的流动特性4 7 5 2 蜂窝型分形流场的模拟4 8 5 2 1 一层蜂窝型分形流场模拟4 8 5 2 2 二层蜂窝型分形流场模拟5 2 5 3 本章小结5 8 第6 章结论与展望6 0 6 1 结 沧6 0 6 2 展望6 l 参考文献6 2 致 射一6 7 i 发表的论文6 8 i i 参加的科研项目6 8 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 燃料电池可以高效、环境有好的将储存在燃料中的化学能等温和的转化为 电能，氢是燃料电池的最佳燃料。今天，发达国家中与汽车、能源相关的大公 司均在加速进行燃料电池的开发。专家们预测，燃料电池的应用将在未来的几 年里激增。它广泛应用于众多领域，小到家用电器、手机、笔记本电脑；大到 发电站、电动汽车、航空航天等领域i l j 。氢能源是一种重要的清洁、绿色能源， 是解决当前全球面临的能源危机的一条重要途径，被称为“2 1 世纪的新能源 ， 必将在未来得到广泛的应用，因而氢经济的曙光正在逐步呈现。燃料电池的设 计与制造是利用氢能源、发展氢技术的基础和保证。世界发达国家都在积极开 展燃料电池的设计与制造工作，理论与技术不断得到突破，应用前景一片光明。 2 0 0 8 年的北京奥运会和2 0 1 0 年的上海世博会，也为氢能源和燃料电池技术在我 国的应用提供了良好的契机。在国家相关政策的支持与鼓励下，我国的工程技 术人员正在加紧开展燃料电池的研究与开发工作，不断扩大其应用领域1 2 1 。 1 1 研究背景 1 1 1 燃料电池 燃料电池是一种电化学设备，它直接、高效的将反应物的化学能转化为电 能。一般而言，对发电来说，燃料电池只是一种能量转换设备。与传统的蓄电 池不同，燃料电池的燃料和氧化物并不是储存在电池内部，而是需要为它提供 反应物。理论上，只要持续不断的供给燃料和氧化剂，燃料电池就能源源不断 的提供电能。燃料电池具有以下若干优点：在工作效率方面，燃料电池具有 很好的潜力，它与系统规模没有密切关系；在系统设计方面，燃料电池可以 方便的实现升级：在燃料资源方面，有与众多类型的潜在燃料可供燃料电池 使用；在室温排放方面，燃料电池为零或几乎为零；在组成部件方面， 燃料电池没有移动部件( 在一些燃料电池设备分系统中的泵或压缩机除外) ，这使 得它可以安静、无振动、高可靠的工作；在再充电( r e c h a r g e ) 方面，与普通电 池相比，燃料电池提供了接近即时的再充电性能。 武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池的分类方法很多，按所采用的电解质分类，可将燃料电池分为固 体氧化物燃料电池s o f c ( s o l i do x i d e f u e l c e l l ) 、磷酸型燃料电池 p a f c ( p h o s p h o r o u sa c i df u e lc e l l ) 、碱性燃料电池a f c ( a l k a l i n ef u e lc e l l ) 、质子 交换膜燃料电池p e m f c ( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ) 和熔融碳酸盐燃料 电池m c f c ( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ) 等p ，1 。 1 1 2p e m 燃料电池的结构 p e m 燃料电池的单电池结构如图1 1 所示，它主要由质子交换膜、催化层、 扩散层和双极板等组成，下面将对它们作简要的介绍。 a 坩一t t 朝u 咀i ic t l 饿nt 琶f g 凡”h n e l 口c k 翔瞩j l k e u 目 一丘脚k l 口c k 图1 1 质子交换膜燃料电池的结构 ( 1 ) 质子交换膜( p e m ) 质子交换膜是p e m 燃料电池的核心组件。从材料的角度来讲，对燃料电池 用的质子交换膜的基本要求包括：较高的电导率：较好的化学稳定性； 较好的热稳定性；良好的力学性能；反应气体的透过率低；水的 电渗拖拽系数要小；有利于电极反应；价格低廉。目前，应用最广泛的 质子交换膜是美国杜邦公司生产的全氟磺酸膜( p f s a ) ，即后来的n a t i o n 系列膜， 这种膜的化学稳定性非常好，在燃料电池中的使用寿命超过了6 0 0 0 0 d 、时【5 】。 ( 2 ) 催化剂( 催化层c l ) p e m 燃料电池技术中，阳极的h 2 或有机小分子电化学反应和阴极0 2 的还原 反应，尽管在热力学上是有利的，但是由于其不良的动力学特征，特别是有机 小分子的氧化和0 2 的还原总是在远离平衡的超高电势下才有可能发生，这大大 的降低了燃料电池的效率，因此必须找到合适的催化剂。目前，应用最广泛的 p e m 燃料电池催化剂为n ，它具有以下特点：较高的电催化活性；电子导 2 武汉理工大学硕士学位论文 电性能好；化学和电化学稳定性能好。但是，由于n 的价格十分昂贵，并且 n 资源紧缺，使得p e m 燃料电池的成本大大的增加，这也制约了其快速发展。也 正因为如此，现在也有不少研究致力于非p t 电催化剂的研究与开发。其中，过度 金属大环化合物就因其价格低廉而备受关注，今后的主要研究改变方向为提高 其稳定性和电催化活性1 6 j 。 ( 3 ) 气体扩散层( g a sd i f f u s el a y e r ，g d l ) 作为p e m 燃料电池的核心组件之一，气体扩散层起着非常重要的作用，它 不仅气相和液相反应物和产物提供了传输通道，还提供了电和热的传导通道， 其厚度一般在1 0 0 3 0 0 1 a m 之间。p e m 燃料电池的扩散层需具备以下特性：较 好的透气透水性；良好的导电导热性好：较高的机械强度；较好的 耐腐蚀性。此外，还要具有价格便宜、易于规模生产等商业方面的要求。目前， 广泛应用于p e m 燃料电池扩散层的材料为碳纤维纸、碳纤维布和碳纤维膜【7 】。这 些商业化的纤维材料已经能够满足p e m 燃料电池性能上的要求，现在的发展方 向时进一步的降低价格。 ( 4 ) 双极板( b i p o l a rp l a t e ) 双极板，也叫集流板( c u r r e n tc o l l e c t o r ) ，顾名思义，就是在p e m 燃料电池中 起支撑、集流、分割氧化剂和还原剂作用并引导氧化剂和还原剂在电池内电极 表面流动的导电隔板。同时，双极板还起着散热和排水的作用。双极板对材料 的要求包括：与电解质的化学相容性要好；气体致密性好，不能透过h 2 和0 2 ；双极板材料制备简单且重量轻；较低的接触电阻和个体电阻，提 高电池的输出功率；必须要有足够的强度。目前，广泛应用于p e m 燃料电池 的双极板材料包括无孔石墨板、金属或合金材料以及各种碳基复合材料。 成本太高是p e m 燃料电池目前难以商业化应用的主要因素，双极板约占整 个p e m 燃料电池总质量的7 0 8 0 ，成本约占总成本的4 0 0 0 - 5 0 ，因此，寻求 和设计价格低廉、质轻、板薄，且具有较好以上特性的极板材料，以及成本更 低的制备技术是双极板发展的目标。 1 1 3p e m 燃料电池的工作原理 p e m 燃料电池的工作原理是：燃料气体和氧气通过双极板上的流道分别到 达电池的阴阳两极，并且通过扩散层到达催化层参与电化学反应。在阳极侧， h 2 在催化层表面与催化剂反应分解成水合质子( h 3 0 + ) 和电子( e - ) ，质子交换 3 武汉理工大学硕士学位论文 膜( p e m ) 上的磺酸基将h 3 0 + 传递到阴极，而e 侧通过外电路流经负载到达阴极。 在阴极，氧分子( 0 2 ) 在催化层表面与透过阳极的水合质子和电子相结合，反 应生成水分子。p e m 燃料电池的工作原理如图1 2 所示： a n o d e ：2 h 2 - - 9 4 h + + 4 e c a t h o d e ：0 2 + 4 h + + 4 e 一专2 h 2 0 总反应为：2 h ：+ 0 2 2 h 2 0 + 电能+ 热 图1 2 质子交换膜燃料电池工作原理图 图1 - 3p e m 燃料电池堆示意图 4 武汉理工大学硕士学位论文 在实际的燃料电池应用过程中，由于单电池电压有限，实际使用中有大功 率负载时，单电池往往不能满足要求，因此需要把多个单电池串联，组成电池 堆，如图1 3 所示。 1 1 4 高温p e m 燃料电池 目前市面上用于商业开发的p e m 燃料电池的温度大都在8 0 以下【8 。9 】。但 是，随着研究的进展，发现中低温p e m 燃料电池存在比较多的不足【l o l ，比如： 阴极电化学反应生成的液态水极易造成电极水淹现象，严重的影响了电池的性 能和水管理；电极反应的活性较低；阳极反应气中的c o 容易吸附在催化剂表面， 造成催化剂的中毒现象；此外，电池的工作温度与环境温度的温差较小，会造 成散热的负担加重。 相对于传统的中低温p e m 燃料电池，高温p e m 燃料电池由于具有较高的 发电效率、相对简单的水管理系统、较强的耐燃料气中的杂质和较高的热利用 率等优点，因此受到了广泛的重视和研究【l 卜挖j 。主要原因是当p e m 燃料电池的 温度大于8 0 时，往往会因为p e m 内水分的蒸发速度大于水的生成速度而使 p e m 水分逐渐减少，导致质子的有效传输效率受到较为严重的影响，也会大大 降低电池的工作效率，这将对p e m 燃料电池的工业应用产生严重的影响【1 3 】。高 温燃料电池工作温度较高，可降低催化剂的c o 中毒效应，提升催化剂的工作 效率，为大功率燃料电池的稳定运行提供可靠的保证。 需要指出的是，科学定义上的高温p e m 燃料电池的工作温度高于1 0 0 0 ( 2 ， 然而结合课题的需要，本文所模拟的p e m 燃料电池的工作温度( 9 5 ) 虽然不 到1 0 0 ，但是考虑其已经超过低温，并且接近1 0 0 ，因此仍然将其划分在高 温这一范围之内。 1 2 文献综述 根据实验室课题研究的需要，在查阅了大量国内外相关文献的基础上，将 从p e m 燃料电池的流场设计、进气加湿度和新型流场探索等三个方面进行综述。 1 2 1 高温p e m 燃料电池的流场设计研究 文献 1 4 1 7 1 对高温p e m 燃料电池进行了较为全面的综述：高温p e m 燃 5 武汉理工大学硕士学位论文 料电池较常温p e m f c 具有很多优点：电化学反应速度更快；简化了水和热管理； 提高了废热的利用率；低质量的重整氢气可用做燃料等；主要从高温p e m 燃 料电池的材料、设计和测试诊断方面对其进行了详尽的叙述，并且论述了高温 p e m 燃料电池的发展、技术缺陷和优点；对于高温p e m 燃料电池的研究9 0 都集中在高温膜上，尽管如此，在高温低湿度条件下运行的p e m 膜的性能并不 尽如人意；其技术的不足主要包括电池结构、测试站的设计和测试论证体系 等，以及深层次的基础的理论；流场设计对于高温p e m f c 来说至关重要， 因为好的设计可以减缓膜的干燥和m e a 的降解问题。 在p e m 燃料电池的实验和c f d 模拟研究目前主要集中于中低温p e m 燃料 电池f 1 8 - 2 6 】，并且取得了较大的进展。其中，ymf e m g t 2 7 l 等人模拟了平行直流道 和单蛇形流道，主要考虑的是流道的深度对电池性能的影响。ss h i m p a l e e 2 8 等 人模拟了相同流道面积条件下不同流道的数目对于电池传质的影响。js c h o l t a l 2 9 1 等人模拟了平行直流道不同流道宽度和岸宽对燃料电池性能的影响，结果表明 流道的最佳尺寸是流道宽和岸宽都在0 7 m m 到l m m 时电池性能最好。xd w a n g 3 0 】等人主要考虑了流道深度和宽度对电池性能的影响。yy d u a n 3 l 】等人模 拟了单蛇和三通道多蛇流道截面不同长宽比条件下的电池性能。然而，对于高 温p e m 燃料电池的研究却较少，但是中低温p e m 燃料电池在流道设计方面【2 m 4 j 的研究却值得后者参考。 jl o b a t o 等【3 2 】运用c f d 软件c o m s o l 对活性面积为5 0 c m 2 ，三种流场形式 ( 四通道多蛇型、平行流场和网格型流场) 的高温p e m 燃料电池进行了模拟， 并与实验数据进行了对比分析，主要内容包括：模拟三种流场形式的电流密 度分布，即电池性能，结果表明：平行流场的电池性能最差，网格型次之，多 蛇形最好，主要原因是平行流场种的反应气体的浓度分布不均匀导致电池中部 到达电极表面的反应气严重不足，从而影响了电池的整体性能；研究了不同 进气体积流量对于h t - p e m f c 性能的影响，研究表明：随着进气体积流量的增 加，电池的性能变好，特别是在高电流密度下。但是当体积流量分别为4 0 0 m l m i n 和5 0 0 m l m i n 时，电池的性能差异并不大，因此可以断定电池的最佳进气体积 流量为4 0 0 m l m i n ：模拟了不同温度下的电池性能，结果表明：随着温度的 影响，电池性能增加。但是，该文的模型没有考虑到高温膜的热降解和其他一 些操作因素等对电池性能的影响。 r b o d d u 等【3 3 】主要是模拟了不同尺寸、不同分布的蛇形流道反应气的流动特 征，研究结果表明：在相同的活性面积下，并列的流道数目越多，流道截面越 6 武汉理工大学硕士学位论文 小，越有利于减小压降。同时模拟了进口不同压力系数条件下的传质损失，从 而知道流场的设计。双极板的厚度要尽量薄，与电极的接触面要尽量均匀，以 保证接触电阻和热阻的最小化，同时也更有利于传质，减小压降，使电流密度 分布更加均匀，提高总电流和功率密度。 dha h m e d 等【3 4 j 运用计算流体力学软件s t a r - c d 建立了多个三维单直流 道模型，并模拟分析了在高电流密度条件下流道的形状对于电池性能的影响。 模拟结果表明：在相同的操作条件和边界条件下，矩形截面流道的性能比梯形 截面和平行四边形截面流道的性能好；但是，梯形截面的流道形式更有利于反 应气体的扩散，使得电流密度的分布更加均匀。同时，该文还研究了不同流道 岸宽比对于电池性能的影响，研究表明：在高电流密度条件下，电池流道一岸宽 比越小，欧姆极化越大；然而却促进了反应气体的扩散以及减少了浓差极化。 文章最后得出结论：在给定的条件下必然存在一个最佳的流道一岸宽比，使得此 时电池的性能最好。 fd e n v e r 等【3 5 j 基于p b i 膜建立了一个三维的高温p e m 燃料电池模型，该模 型是对作者研究的前期的三维模型的改进，该文主要考虑了电池中的传质和极 化现象，所得结果也与前期改进之前的实验数据比较吻合。该模型可以精确的 预测在岸下催化层区域中氧气的消耗量，预测的结果表明：功率密度为1 0 0 0 w m 2 时，温度可以升高近2 0 。 os h a m a r d i n a 等【3 6 】建立了一个简单的高温p e m 燃料电池的二维模型，该模 型的准确性与作者课题组的实验结果比较吻合。模型主要是二维的稳态模型， 结果表明：在阴极氧气的过量系数较低时，燃料穿透会对电池的性能有着较大 的影响。并且模拟了不同的进气加湿度对于高温p e m 燃料电池性能的影响，主 要考虑的因素是流场内部的压降和气体流速。 jp e n g 等f 7 j 建立了一个三维、单相的非等温的高温p e m 燃料电池模型( t 3 9 3 k ) ，该模型主要考虑的是流场内部反应气体的对流与扩散传输，以及考察了 气体组分的浓度变化；还考虑了电化学反应生成热、欧姆极化热对于电池性能 的影响。在该模型中，反应气体都假设为理想气体。因为p b i 膜的电渗拖拽系 数比较低，模型也忽略了膜中的水传输现象。结果表明：电池内部的热效应对 高温p e m 燃料电池的性能影响很大，电流密度会随着温度的升高而增大。此外， 模拟结果表明：集流板流道和岸的宽度和分布时影响高温p e m 燃料电池性能的 关键参数。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 进气加湿度对高温p e m 燃料电池的影响 水管理是p e m 燃料电池研究的关键问题之一【3 8 4 2 1 ，特别是对于高温p e m 燃料电池来说，保证膜中有足够的水分是解决问题的难点。 cjs o n g 等 4 3 1 基于n a t i o n 2 1 1 膜，在阳极氢气和阴极空气过量系数分别为2 和4 时，通过测试不同进气湿度( 2 5 、5 0 、7 5 和1 0 0 ) 条件下的电池性 能来研究较低湿度对于电池压降的影响。研究表明：造成低湿度条件下电池压 降较大的主要原因是当水从阴极透过膜反扩散到阳极的过程中，在膜中形成了 一层分布不均匀的水膜，这层水膜大大的增加了m e a 的阻抗，特别是在较高的 近期速度和高温条件下，由于阴极生成水的反扩散作用造成的电池压降效应尤 为明显。 suj e o n g 等晔】对一种氢一空燃料电池进行了测试，主要考虑的是阴极的开孔 面积和空气的加湿度的影响。当阴极空气的加湿度从5 2 增加到9 4 时，阴极 开孔率为7 7 时电池的性能达到最好。在低电流密度区域，电池的性能会随着 r h 的升高而提高，但是在高电流密度条件下的电池性能会有所下降。研究表明： 导致这些结果的原因是不同的进气加湿度改变了氧气的分压及其在电池内部的 传输作用，并且膜的水含量大小决定了膜的质子传导率，只有在膜完全湿润的 条件下，质子交换膜才能表现出较好的质子传导作用。 jh j a n g 等【4 5 】进行流场的设计时在流道中增加了挡板，目的主要是研究进气 湿度和电池内部气体传输堆电池性能的影响，考虑的因素正是流道中挡板堆气 体的回流效应。挡板的存在使得更多的反应气体通过扩散进入催化层参加电化 学反应；同时也增加了流场中的气体压降和流场内部的局部电流密度，这样有 利于电池的性能。并且，不同的加湿度也会影响电池的电压，研究表明：在高 电流密度区域，也就是电压较低时，液态水对于电压有着很大的影响；当r h 较 大时，电池的性能较好，因为此时电池内部的组分传输速度会加快。 jl z h a n g 等【4 6 】的研究表明：无多 b a n 湿的p e m 燃料电池降低了电池系统的复 杂性，从而提高了系统的提及功率密度和质量功率密度。本文研究的是在进气 湿度为o ，也就是干燥的反应气体条件下，通过改变操作条件来对温度范围为 2 3 。c 1 2 0 * c ，特别是8 0 * ( 2 1 2 0 ( 2 高温条件下的p e m 燃料电池性能变化。运用交 流阻抗法比较了湿度为0 和1 0 0 条件下的电池性能，结果表明：进气湿度为 0 时造成的电压损失主要是由干燥条件下膜中质子的传导率所限引起的；并且 在特定操作条件下，即使不用外加湿，商用的n a f i o n l l 2 膜也是可行的。在加湿 8 武汉理工大学硕士学位论文 度为0 时，提高温度和进气流速，降低出口的背压，都会造成电池性能的下降。 as u 等1 4 7 运用计算流体力学软件c f d r c 模拟了不同操作条件对于高温 p e m 燃料