试析质子交换膜燃料电池水传递现象研究

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1、分类号UDCTQ02密级公开编号B038003870中国科学院研究生院博士学位论文质子交换膜燃料电池水传递现象研究才英华指导教师衣宝廉院士中国科学院大连化学物理研究所张华民研究员中国科学院大连化学物理研究所申请学位级别博士学科专业名称化学工程论文提交日期2006．10．18论文答辩日期2006．12．01培养单位学位授予单位中国科学院大连化学物理研究所中国科学院研究生院答辩委员会主席刘长厚摘要本论文证明对于较薄的Nation曲112膜，无论阳极是否增湿，电池的净水传输系数均为负。采用Nation雪112膜的电池在阳极不增湿操作时电池输出性能以及电池电阻的变化与阳

2、极增湿状态下表现相当。说明薄膜电池可以实现阳极的不增湿操作。此结论已经在实际电池组及燃料电池发动机系统中得到成功应用。此时电池的输出性能对阴极进气相对湿度的变化更为敏感。阴极相对湿度的设置应该考虑到阴极排出水量与尾气中以水蒸气形式排出水量之间的比值，该比值应该在1．5～1．8之间，对于我组目前自制的MEA，阴极的相对湿度设置值在O．75左右电池可以获得最佳性能。其次，本论文结合聚合物膜在水中的膨胀理论，提出了液态水在质子交换膜内的传递系数表达式，利用改进的扩散模型对液态水在质子交换膜内的传递过程进行了数学描述。计算结果表明操作温度和气体一侧的流率对膜内的水含量有

3、很大的影响。同时计算结果证明Nation*112膜在电池的实际操作过程中，液态水在膜内的扩散过程可以使膜内水含量达到较均匀的分布实现膜的充分润湿，而不需要额外的阳极增湿。最后，利用模型研究了质子交换膜燃料电池微通道内的气液两相流。研究结果表明如果流道壁面的憎水性强于MEA表面的憎水性，则不利于液态水向流道壁面的分散，会增大气体向扩散层内传递的阻力。如果流道壁面的接触角小于MEA表面的接触角或者与MEA表面接触角相当，则有利于水膜的分散和维持电池的长期运行。此结论对电池流场板的加工工艺过程具有指导意义，并已经应用到实际的电池组和燃料电池系统的操作当中。关键词：质子

4、交换膜燃料电池；水传递；模型；聚合物膜在液体中的膨胀理论；微通道；亲水性；憎水¨AbstractCAIYing-hua(cheroicalEngineering)DirectedbyProf．YIBao·-lianandProf．ZHANGHua-．minFirst，waterbalanceexperimentswereimplementedandprovedthatforathickmembrane，forexample，Nation。112，thenetwatertransportcoefficientSalebothnegativewhetherthean

5、odegaswassaturatedordry．Combiningwiththeresistancemeasurements,itwasshownthataPEMfueleellwiththjckmembranecouldoperatedwithdryhydrogenwhenNafion罾ll2membranewasused．AndthisoperatinghasbeenusedinfuelcellstacksandFCEsystemssuccessfully．Thecathodehumidityconditionhasagreatinfluenceonthec

6、ellperformanceandwaterbehaviorunderthiscondition．Theproportionbetweenthemassofwatersweepoutandthemaxofthevaporinthecathodeshouldbeintherageof1．5—1．8toensureabestperformancefortheMEAhouse—made．Theoptimizedhumidityofcathodeshouldbe0．75fortheMEAhouse—made．Second，combingtheSchroeder’SPar

7、adox,amodifieddiffusionmodelWasdevelopedtostudytheliquidwatertransportprocessinaperfluorosulfonicacidprotonexchangemembrane．Theresultsshowthattheoperatingtemperatureandthegasflowratehaveagreatinfluenceonthewatercontentdistributioninamembrane．AnditprovedthatwhenNation∞112WIISused，theh

8、umidityofthe