基于pemfc流场与电池性能的模拟研究

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1、中国近代第一所大学天津大薯TIANJlNUNlVERSITY博士学位论文一级学科学科专业作者姓名指导教师世堂王l!与撞查些芏王捏王堑星三主堑塾i!天津大学研究生院2005年12月摘要质子交换膜燃料电池(简称PEMFC)以其高效率、高能量密度、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。流场板是PEMFC的重要部件，极大地影响电池的性能、运行效率和制造成本。流场板的流道结构基本组成要素为流道的长、宽、高和脊宽以及流道形式，本研究建立了不同的数学模型以深入研究电池内部的传递过程以及诸要素因素对电池性能和效率的影响。首先。利用Monte--Carlo

2、法建立了3维格点模型，细致地描述了PEMFC催化层复杂的多孔结构，此模型可以用来分析催化层各组分Pt／C、质子导体以及气孔对催化；}!I利用率的影响。另外，利用随机行走的方法研究了气体在催化层中的扩散行为，为深入理解电池反应和及提高PEMFC整体模型准确性提供了新方法和结构参数。其次，建立了流道和脊横截面的2维两相流数学模型(Cross·the-channelModel)。模型描述了主要的传递和反应过程，包括阴、阳两极反应气的质量传递、动量传递、电子和质子的传递以及电化学反应等过程。此外模型还细致的描述了水(液态和气态)在扩散层、催化层以及质子交换膜中的传递

3、过程，详细地考察了流道和脊的宽度对电池性能的影响。研究发现水的传递对电池性能影响很大。模拟结果显示，在膜电极面积一定的情况下，对于低增湿PEMFC而言，应当采用较薄的质子交换膜，较宽的脊以增强保湿性能。而对于高增湿PEMFC而畜，应当采用较窄的脊以提高反应气的传质性能。第三。建立了改进的沿流道模型(Along-thc-clmnnclModel)，并结合以流道横截面模型建立了准3维阴极流道模型。考察了各物理量沿流道长度方向的分布情况及其对电池性能的影响。模拟结果显示，对于高增湿PEMFC而言，氧气浓度、电流密度以及流速均沿流道长度方向逐渐降低。而对于低增湿PE

4、MFC，氧气流速会逐渐升高，电流密度呈先升高后降低的趋势。通过对模拟结果的分析，提出了针对高增湿PEMFC的深度渐变流道设计，以增强f弱极排水能力。针对低增湿PEMFC，则提出了脊宽度渐变的流道设计，以增强上游流道的保湿能力，同时提高反应气在下游流道的传质性能。第四，利用计算流体力学(CFD)工具首次建立了PEMFC完整流场的高效模拟方法，并对5种常见形式的完整流场进行了模拟计算，考察了其中流速以及电流密度等物理量的分布情况。模拟结果显示，流道形式对电流密度分布影响很大。适当拉近上游和下游流道之闻的距离可以促进电流密度的均匀分布。所建方法可以用来以电流密度分

5、布和电池性能评价流场，对流场形式的设计有指导作用。关键词：质子交换膜燃料电池；流道；传递现象；数学模型AbstractTheprotonexchangemembranefuelcellO'EMFC)isaelectrochemicaldffvicethatconvertchemicalenergyinfuelsdirectlyintoelectricalenergy,withhi蜘efficiencyandlowenvironmentalimpact．Theflowfieldplate,whichtheperformance，efficiencyandcos

6、tofPEMFC戢f湘g垮盎莲>髓don,isaveryimportantcomponent。Theflowfieldonthebipolarplateisconstitutedofchannel(1ength,width,depth)，ribandchannelpatterns．DifferentmathematicalmodelshavebeenestablishedtoimprovefundamentalunderstandingoftransportphenomenainPEMFCandtoinvestigatetheimpactofvariousp

7、arametersonperformanceandefficiency．First,themicrostmcmreofcatalystlayerisstudiedbaseduponalatticemodelwiththeMonteCarlosimulation．ThomodelcallpredicthowthecatalystlayercomponelltssuchasPt忙．electrolyteandgasporesaffecttheutilizationofcatalystandtheceltperformance．Inaddition，diffusi

8、onofreactiongasinthecataly