质子交换膜燃料电池多孔电极内复杂渗流机理分析及其应用研究

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1、浙江师范大学硕士学位论文质子交换膜燃料电池多7L电极内复杂渗流机理分析及其应用研究研究生：何慧指导教师：许友生申请学位类别和级别：理学硕士学科专业：凝聚态物理学位授予单位：浙江师范大学提交日期：2012年5月28日，／Modelingandsimulationstudyonthecomplexmechanismofporouselectrodeforaprotonemembranefuelcellseepage㈣必ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentofRequirementfortheDegreeofMastero

2、fScienceByHeHujSupervisor：XuYou—shengSpeciality：CondensedMatterPhysicsZh@angNormalUniversity,Jinhua，May．2012质子交换膜燃料电池多空间及内复杂渗流机理分析及其应用研究摘要质子交换膜燃料电池(简称PEMFC)被认为是今后电动汽车最佳候选动力源之一。本文为质子交换膜燃料电池构建了综合的三维数学模型，通过研究PEMFC内的电化学反应特性以及各组分的传递现象，得到了电池的功率密度曲线。把得到的结果与相应参考文献里的实验数据进行比较，我们发现能够很好的吻合，所以可以用本

3、文的质子交换膜燃料电池的三维数学模型对燃料电池进行精确的数值模拟。本文提出了一个三维的数学模型来模拟研究质子交换膜燃料电池，对电池的九个区域进行了数值模拟，它们分别是阳极双极板，阳极流道，阳极多孔扩散层，阳极催化层，质子交换膜，阴极催化层，阴极多孔扩散层，阿极流道，阴极双极板。同时，模型还研究了流道里流体的流动、阳极氢气和阴极氧气各组分的传递、热量传递、电荷传递、和氧化还原的电化学反应动力学。并且运用了相同的数学方程来阐述所有研究区域的传递现象，但是在描述各种不同性质区域的时候，通过不同的源项和对应的物性参数来区分。采用有限元有限方法来求解各个传递方程组，同时对电

4、化学反应动力学方程进行耦台处理，得到了电池内的组分浓度分布情况、温度场分布情况、以及多孔扩散层孔隙率对电池性能的影响。其中，通过对反应物浓度在质子交换膜燃料电池内备层的分布情况以及多孔电极内扩散层和催化层接触面上的分布情况讨论，知道在阴阳两极中，气体流道入口附近反应物的摩尔浓度较大，发生的反应较快，浓度沿流动方向下降也较快，在扩散层和催化层接触面上，反应物浓度在模型里的z轴方向呈对称分布：通过对电池内部温度场的分析．知道质子交换膜处的温度最高，由于此时膜的欧姆电阻所产生的热量占主要部分：通过对多孔扩散层孔隙率大小模拟，发现在高低电流密度情况下，孔隙率对电池性能的影

5、响存在差异。这些工作为优化PEMFC的设计提供参考。关键词：燃料电池：复杂渗流机理：数值模拟：质于交换膜：多孔介质：有限元法；温度场：浓度场MODELINGANDSIMULA丁IONSTUDYONTHECOMPLEXSEEPAGEMECHANISMOFPOROUSELECTRODEFORAPROTONEXCHANGEMEMBRANEFUELCELLABSTRACTProtonexchangemembranefuelcell{PEMFC)isbelievedasaopticalsourcesofpowerfurelectricautomobileinthefutur

6、eInthispaper,athree．dimensionalcomprehensivemathematicalmodelofaprotonexchangemembrmlefuelcellisdescribedWegotthepowerdensityeul％,eoffuelcellbysmdyingtheelectrochemicall-g：amioilcharacteristiesandtransportphenomenonofeachcomponentThefuelcellsperformanceofprotonexchangemembranefuelcell

7、simulatedbythisthree-dimensionalmodelarecomparedwithexperimentaldataseparately,andreasonableagrcementsareachieved．so．weareabletousethisthree—dimensiona】modelofthisprotonexchangeIIlembranefueleellaccyffa*tenumericalsimulationAthree—dimensional，comprehensivemathematicalmodelofaprotonexc

8、hange