基于强化传质的燃料电池流场优化及水热管理研究

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1、分类号学号D201377247学校代码10487密级博士学位论文基于强化传质的燃料电池流场优化及水热管理研究学位申请人：沈俊学科专业：工程热物理指导教师：刘志春教授答辩日期：2018年9月17日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringStudyonOptimalDesignofFlowFieldandWater-HeatManagementofP

2、EMFC——BasedonMassTransferEnhancementPh.D.Candidate:ShenJunMajor:EngineeringThermophysicsSupervisor:Prof.LiuZhichunHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,430074,P.R.ChinaSeptember,2018独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作。，及取得的研究成果尽我所知，除文中己经标明引用的内容外本论

3、文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做。出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：曰期：ｍ年月口＾＾学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被杳阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存

4、和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密ｙ上方框“”（请在以内打ｖ）学位论文作者签名：：制Ｌ指导教师签名円期：＞抨月円円期：年月円丨／〉？？，本文得到国家863项目和国家自然科学基金资助（No.2012AA1106016和No.51376069）华中科技大学博士学位论文摘要质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）是一种高效能量转化装置，将储存在氢氧燃料中的化学能直接转化为电能。燃料电池不但具有质量轻、

5、能量密度高、噪音低、无机械部件磨损等优点，而且具有环境友好、零排放、低红外辐射等优势，已成为一种可靠的动力源，广泛应用于民用和军事领域。燃料电池的水、热、气管理对于电池的性能具有十分重要的影响，因而优化电池设计，强化电池内反应气体的质量传输，提高电池的气场、热量以及水分管理水平，是质子交换膜燃料电池发展的关键。论文围绕质子交换膜燃料电池，研究并分析电池中水、热、气场管理水平与其性能之间的关系，发展了燃料电池的水/热/气强化理论和方法，并进行了数值模拟和实验验证。通过提高电池的气场管理水平，强化反应气体质量传输可

6、以提高电池性能。本文采用数值模拟和实验方法，研究燃料电池流道加凸台对电池性能的影响。结果表明，数值模拟与实验结果相吻合，流道中加凸台可以强化流道内气体质量传输；矩形凸台优于半圆形凸台；凸台数量越多，电池性能提升越明显，且阴极侧加凸台对电池性能影响尤为显著。通过对反应气体对流传质中速度矢量和浓度梯度之间的夹角分析表明，流道中增加凸台能有效减小此夹角。结合场协同原理，证明在凸台的扰流作用下，增强了速度矢量与浓度梯度之间的协同，强化了气体的对流传质作用，并提出采用有效传质系数来衡量电池的传质能力。电池的热管理是制约电

7、池发展的又一重要因素。通过建立三维燃料电池模型，研究单电池工作温度353K时，不同冷却水雷诺Re数，不同电流密度，不同相对湿度下的温度分布特性，并采用热阻网络法分析验证电池内部温度分布特性。结果显示，相对湿度对电池的性能和温度分布有较大影响；电池中最高温度位于阴极扩散层与催化层界面；且受冷却水温度控制，气体出口温度不会出现剧增，均在合理的范围内。但电流密度2A·cm-2，相对加湿度100%时，电池内会出现局部温度过高，需通过降低冷却水入口温度来使电池维持在合理工作温度范围内。同时，结合实验研究，分析反应过程中水

8、-水蒸气相变对电池堆热平衡的影响。相变热量对电堆热平衡的影响不可以I华中科技大学博士学位论文忽略。电池加热过程中，通过提高冷却水流量来提高对流换热热量；电池冷却过程中，电池的热平衡系数可达到1.0。但在高电流密度下，电池膜电极与冷却水之间存在较大的温差，需要高导热系数的双极板来提升电池温度的均一性。燃料电池反应过程中水-水蒸气相变使热管理和水管理相互耦合、相互制约。第四章考察不同流道模