pemfc带增湿槽道集流板的研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文中文摘要质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)由仝氟磺酸膜型固体聚合物为电解质，高担量Pt为电催化剂，以及多孔结构的扩散层构成。质子交换膜燃料电池在运行过程中膜必须处在润湿状态下才能导电，因此需要给电池提供增湿。本文设计一种阴极面带增湿槽道的流场来实现增湿，增湿槽道中的水先到达扩散层，再经过扩散层到催化层给膜增湿。通过单电池试验数据和CFD(ComputerFluidDynamics)软件Fluent6．0数学模拟相结合，分析了电池的操

2、作条件和流场的形状对电池性能的影响，并利用Fluent软件的燃料电池模块对阴极面为带增湿槽道流场的增湿机理进行了研究，在研究的同时发现：(1)采用的PEMFC的活性面积为25cm2。阳极流场和阴极流场均为单蛇形流场。氢气和空气的操作压力为常压，工作温度在40℃～70℃之间；氢气流量为300sccm，空气流量范围为500sccm～2000sccm条件下。饱和增湿条件下升高工作温度可以降低膜的内阻和提高电池性能。增湿不够条件下，温度升高反而使的膜的内阻上升，不会增加电池性能。在采用空气为氧化剂时，电池性能随着空气流量增

3、大而上升，空气剂量比系数不能小于3。改善阴极或者阳极增湿条件能提高电池性能，不过改变阳极增湿条件比阴极增湿条件影响要大。(21阳极为单蛇形流场，阴极流场为点状、多蛇形和单蛇形流场。活性面积为25cm2，电池运行温度为60。C，H2的进气量为300sccm，Air的进气量为1500sccm，阳极和阴极都是饱和增湿，电流密度为600mA／cm2时，催化层与扩散层交界面处，点状、多蛇形和单蛇形流场的最小02浓度依次增加约为1．5％；最大H20浓度依次降低约为1．5％；扩散层中间处，点状流场气体速度1．38×10。m／s，

4、多蛇形流场气体速度3．71×10。2m／s，单蛇形流场气体速度3．57×10～m／s，气体的速度依次增加；单电池的测试结果为单蛇形流场电压0．675V，多蛇形流场电压0．65lV，点状电压为0．616V。点状、多蛇形和单蛇形流场的电压依次增加约为5％。(3)电池的阳极为多蛇形流场，阴极使用带有增湿槽道的流场，其中阴极流场大的槽道进干燥空气、小的槽道进液态水增湿能维持电池稳定运行。在电流密度为600mA／cm2条件下，100分钟内电压在0．50V～0．55V和电阻在0．060ohom．cm2～0．0650hom．cm

5、2波动。计算模拟得到阴极催化层中的水浓度分布，增湿槽道对应部分的水浓度在O．85以上，其余部分的水浓度在0．155左右。增湿槽道能够为阴极面提供足够的增湿效果。但是从阴极催化层中的氧气浓度和膜中电流密度分布得到，阴极催化层整个区域氧气主要分布在气体流道对应的范围内，增湿槽道和脊对应的催化层部分氧气浓度基本为零，同样增湿槽道和脊对应的膜中电流密度基本为零，电池损失近一半面积。阴极采用带增湿槽道的流场在实现增湿效果的同时牺牲了电池有效面积，降低了整个电池运行效率。关键词：质子交换膜燃料电池、增湿、流场、数学模型、CFD

6、武汉理工大学坝J__学位论文AbstractProtonexchangemembranefuelcell(PEMFC)wascomposedofthewholefluorinesuifonicacidmembraneforelectrolytesolidpolymer，thehighloadamountPtwastheelectriccatalyst，anddiffusionIayerwasformedinporousstructureThePFMFCinthecourseofoperatingthemembran

7、ewillnotconductunlessinthewettingstate—SOneedtohurnidifyforcellandincreasedmembranewetly1“stextdesignedonecathodeflowfield，itcomprisedincreasedhumidifychannel．Watercanvaporizedfromchanneltodiffusionlayer,thenthroughcatalystlayertohumidifyingthemembrane．Bycombm

8、edthetestdataofthesinglecellandCFD(ComputerFluidDynamics)softwareFluent6．0mathematicssimulationtogether,andanalyzedtheoperationconditionoftheeellandtheformofflowfieldimpactedonperf