分流进气及多孔材料内气体扩散特性对pemfc性能影响的研究

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1、天津大学博士学位论文分流进气及多孔材料内气体扩散特性对PEMFC性能影响的研究StudyoftheEffectofSub-channelDesignandGasDiffusioninPorousMaterialonPEMFCPerformance学科专业：工程热物理研究生：王誉霖指导教师：王世学教授天津大学机械工程学院2017年5月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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

2、获得天津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所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字

3、日期：年月日万方数据中文摘要质子交换膜燃料电池已经初步进入商业化运用阶段，但是如何进一步降低其生产成本以及提高其性能仍然是目前研究的重点。探究燃料电池内部的水气传输特性，寻求有效的水管理策略，进而解决其内部的水平衡问题依然是延长电池使用寿命以及提高电池性能的关键所在。扩散层和流道作为燃料电池的核心部件，承担着气体扩散以及水分排出的功能，在燃料电池水管理中发挥着举足轻重的作用。本文围绕燃料电池水管理展开并以扩散层及流道为研究对象，主要工作包括两部分，第一部分通过实验研究燃料电池含水多孔扩散层及催化层的气体扩散传质

4、特性，并在此基础上用数值模拟的方法定量分析气体扩散传质对电池性能的影响，从而为制定合理的水管理策略提供理论依据；第二部分针对燃料电池水管理，提出了一种新型的阴极流道分流设计，分别用数值模拟和实验的方法对该设计的有效性进行了研究。为探究扩散层多孔介质结构及其含水状态对氧气有效扩散系数的影响，本文利用原电池原理提出了一种扩散层氧气有效扩散系数的实验测量装置。使用该装置分别测量了燃料电池常用碳布和碳纸两种材料扩散层干燥和含水状态下的氧气有效扩散系数。对于干燥状态的扩散层实验研究了其孔隙率和孔隙结构对氧气有效扩散系数的

5、影响；对于含水状态的扩散层使用真空含水和冷凝含水两种不同的含水处理方法来研究含水量及水分布对氧气有效扩散系数的影响。实验结果表明尽管两种材料具有相同平均孔隙率，但因孔隙结构不同，两者的氧气有效扩散系数并不相同；另外，具有相同含水量的同一多孔材料，因其水分布不同，其氧气有效扩散系数也并不相同。因此，氧气有效扩散系数不仅和扩散层的平均孔隙率与平均含水量有关，还和孔隙的结构以及液态水的分布密切相关。基于前上述实验结果，本文修正了预测扩散层氧气有效扩散系数Bruggeman方程，修正后的关联式和实验结果匹配度更高。随后

6、，本文建立了燃料电池三维两相数值模型，利用数值计算的方法定量分析气体有效扩散传质对电池性能的影响，结果表明使用传统的Bruggeman方程预测的电池性能要比本文给出的修正关联式预测的电池性能高出许多，且发现阴极扩散层的氧气有效扩散传质对电池性能的影响要远远大于阳极扩散层的气体有效扩散传质对电池性能的影响。此外数值模拟还定量分析了催化层有效气体扩散性对电池性能的影响，研究发现阴极催化侧氧气有效扩散传质对电池性能的影响很大。因此，在对燃料电池的数值建模以及优化设计时，要重点优化阴极扩散层和催化层。流场的优化设计是燃

7、料电池水管理的一个十分重要的手段，尤其是阴极流场的优化设计更是保证电池水平衡，提高电池性能的关键。对于平直流场燃料电池I万方数据天津大学博士学位论文来说，阴极反应生成的液态水往往聚集在阴极流道后半部分，不易排出，进而堵塞后半部分扩散层内气体的传输通道，影响电池性能。针对这一问题，本文提出了一种新型的阴极流道分流设计，即在阴极流道上增加分流进气口，在维持阴极总的进气量不变的情况下，将阴极反应气体分为两部分，其中一部分气体加湿处理后从阴极主进气口进入电池，另一部分气体不经加湿处理从阴极分流进气口送入电池。分流设计能

8、够在保证膜电极较好加湿的前提下，通过改变阴极流道内气体流场的分布来增强电池的排水性，从而提高电池的性能。分流进气口位置以及分流进气量是影响分流设计效果的两个重要参数。因此，本文针对三种典型的分流进气口位置以及分流进气量进行研究。即分流进气口位置分别位于距阴极主进气口的长度占阴极流道总长度的30%，50%和70%（文中用SIP-30%,SIP-50%和SIP-70%表示）；分流进气量分别