PEMFC阴极通道流动及GDL扩散规律的数值模拟研究
发布时间：2022-01-16 20:43
有效的水管理对质子交换膜燃料电池性能的提高具有重要的影响。电池阴极通道内液滴运动机制及气液两相流模式是电池水管理的重要内容,已成为众多学者研究的热点。本文利用VOF模型模拟实验条件下各种因素对燃料电池阴极通道内液滴运动机制及气液两相流模式的影响。并且在此基础上,结合多孔介质模型模拟GDL内外侧压力及气相流率对液态水穿过GDL进入阴极通道流动的影响。模拟结果表明,液态水穿过GDL微孔进入阴极通道形成液滴并不断生长,在气流曳力的影响下,液滴形态将发生一系列变化。液滴间发生融合、吞噬现象的临界孔间距为0.6 mm左右,并且融合、吞噬现象的发生会降低GDL表面液态水覆盖率。不同的微孔形状会引起通道内形成的两相流流型的变化,其中bridge flow的出现会加速液态水的排出,但会导致较大的压降及压降波动。气相流率会对液滴形态产生影响,但对液滴运动周期的影响可以忽略不计,而液相流率对液滴形态及运动周期的影响正好相反。另外还发现,随着气液相流率的增加,通道进出口平均压降也会增加,但其随液相流率的增加很小。通道进出口压降标准偏差随着气液相流率的增加将显著增加,这将造成电池输出电压不稳。结合多孔介质模型...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池的结构示意图[25]
中国石油大学（北京）硕士学位论文-3-束的直径约为400μm，其具有单个纤维处的10μm孔径和纤维束交叉处的100μm孔径的双峰孔径分布[30,31]。用PTFE乳液等对用作GDL的碳纸及碳布做憎水处理后，其内部会生成憎水的反应气体通道和亲水的液态水传递通道，而经过处理后其厚度往往介于100μm-300μm之间[32,33]。集流板又称双极板，也是影响电池性能和制造成本的一个重要因素。其主要为反应气体及液态水提供传输通道，同时提供电子及热量的传递介质。石墨板因为低廉的价格及优良的性能而被大范围的应用于此。图1.1质子交换膜燃料电池的结构示意图[25]Fig.1.1SchematicillustrationofbasicstructureforPEMFC(a)碳布(b)碳纸图1.2GDL材料扫描电镜图[30]Fig.1.2ScanningelectronmicroscopeimagesofGDLmaterials⑵PEMFC工作原理PEMFC工作原理在图1.1中也得到了很好的展示。一方面，氢气从阳极板经GDL进入电催化层后，在催化剂作用下离解为氢离子和自由电子，氢离子水合后
第1章文献综述-6-1.2质子交换膜燃料电池气液两相流研究为维持PEMFC内部适当的水含量，对电池进行有效的水管理是势在必行的。由于排水法的关键研究是难度较大的气液两相流问题，使得目前通过排水法对电池进行水管理的文献研究相对较少。但通过排水法进行PEMFC水管理是较为有效且直接的方法，且在一定程度上来说，对气液两相流的研究也是其他水管理方法不可避免的。因此通过研究燃料电池内气液两相流动来探寻对PEMFC进行有效水管理及提高性能的方法，成为越来越多PEMFC研究人员的研究重点[38]。目前研究者主要通过实验研究和数值模拟两种方法来研究穿过GDL进入气体通道中的液态水的流动规律及液滴运动机制，而且还研究了电池通道内形成的气液两相流模式[16]。以下是一些关于PEMFC内液滴运动机制及通道内气液两相流的经典研究的概述。1.2.1阴极通道中两相流的实验研究Hussaini[41]等人利用光学燃料电池试验平台对电池阴极侧液态水进行了可视化实验研究，确定了燃料电池通道内气液两相流流型如图1.4所示，后通过一系列实验确定了流型间的转变边界条件，并制定了首张流区图。他们还引入了一个新的参数——壁面液态水覆盖率（wettedareatotalarea1=），以此来更形象直观的表示液态水在通道内的分布。Anderson[42]等人在Hussaini[41]等人基础上通过大量实验提出并证实了一种新的流型——液滴聚集区，补充前后流区图如1.5所示。图1.4燃料电池阴极通道流型图[41]Fig.1.4Fuelcellcathodechannelflowpattern
【参考文献】：
期刊论文
[1]Direct numerical simulation of low Reynolds number turbulent air-water transport in fuel cell flow channel[J]. Zhiqiang Niu,Renfang Wang,Kui Jiao,Qing Du,Yan Yin. Science Bulletin. 2017(01)
[2]PEMFC全车况性能衰减的研究进展[J]. 王诚,黄俊,赵波,肖宇,赵鹏程,李建秋,张剑波. 汽车安全与节能学报. 2016(01)
[3]低流速燃料电池重力辅助排水[J]. 裴后昌,涂正凯,刘志春,沈俊,邱子朝,刘帆,刘伟. 化工学报. 2014(S1)
[4]质子交换膜燃料电池内传递现象的数值模拟[J]. 胡桂林,刘永江,樊建人,岑可法. 工程热物理学报. 2004(05)
[5]质子交换膜燃料电池新型静态排水结构[J]. 侯明,吴金锋,衣宝廉,曲天锡. 电源技术. 2002(03)
[6]涂布法制备质子交换膜燃料电池亲水电极[J]. 唐倩,韩明,林治银,衣宝廉. 电源技术. 2001(06)
[7]中国燃料电池的发展[J]. 毕道治. 电源技术. 2000(02)
[8]质子交换膜燃料电池电催化剂研究及膜电极制备技术[J]. 马紫峰,黄碧纯,石玉美. 电源技术. 1999(02)
[9]聚合物电解质燃料电池的研究进展[J]. 陈延禧. 电源技术. 1996(01)
[10]质子交换膜燃料电池及其水管理技术[J]. 孙红,吴玉厚,Liu Hongtan. 新能源. 2000 (11)
硕士论文
[1]PEM燃料电池蛇形流场中气体与水传输的模拟[D]. 范朝兵.武汉理工大学 2007
[2]车用质子交换膜燃料电池动态特性的研究[D]. 涂曙光.武汉理工大学 2007
本文编号：3593388
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池的结构示意图[25]
中国石油大学（北京）硕士学位论文-3-束的直径约为400μm，其具有单个纤维处的10μm孔径和纤维束交叉处的100μm孔径的双峰孔径分布[30,31]。用PTFE乳液等对用作GDL的碳纸及碳布做憎水处理后，其内部会生成憎水的反应气体通道和亲水的液态水传递通道，而经过处理后其厚度往往介于100μm-300μm之间[32,33]。集流板又称双极板，也是影响电池性能和制造成本的一个重要因素。其主要为反应气体及液态水提供传输通道，同时提供电子及热量的传递介质。石墨板因为低廉的价格及优良的性能而被大范围的应用于此。图1.1质子交换膜燃料电池的结构示意图[25]Fig.1.1SchematicillustrationofbasicstructureforPEMFC(a)碳布(b)碳纸图1.2GDL材料扫描电镜图[30]Fig.1.2ScanningelectronmicroscopeimagesofGDLmaterials⑵PEMFC工作原理PEMFC工作原理在图1.1中也得到了很好的展示。一方面，氢气从阳极板经GDL进入电催化层后，在催化剂作用下离解为氢离子和自由电子，氢离子水合后
第1章文献综述-6-1.2质子交换膜燃料电池气液两相流研究为维持PEMFC内部适当的水含量，对电池进行有效的水管理是势在必行的。由于排水法的关键研究是难度较大的气液两相流问题，使得目前通过排水法对电池进行水管理的文献研究相对较少。但通过排水法进行PEMFC水管理是较为有效且直接的方法，且在一定程度上来说，对气液两相流的研究也是其他水管理方法不可避免的。因此通过研究燃料电池内气液两相流动来探寻对PEMFC进行有效水管理及提高性能的方法，成为越来越多PEMFC研究人员的研究重点[38]。目前研究者主要通过实验研究和数值模拟两种方法来研究穿过GDL进入气体通道中的液态水的流动规律及液滴运动机制，而且还研究了电池通道内形成的气液两相流模式[16]。以下是一些关于PEMFC内液滴运动机制及通道内气液两相流的经典研究的概述。1.2.1阴极通道中两相流的实验研究Hussaini[41]等人利用光学燃料电池试验平台对电池阴极侧液态水进行了可视化实验研究，确定了燃料电池通道内气液两相流流型如图1.4所示，后通过一系列实验确定了流型间的转变边界条件，并制定了首张流区图。他们还引入了一个新的参数——壁面液态水覆盖率（wettedareatotalarea1=），以此来更形象直观的表示液态水在通道内的分布。Anderson[42]等人在Hussaini[41]等人基础上通过大量实验提出并证实了一种新的流型——液滴聚集区，补充前后流区图如1.5所示。图1.4燃料电池阴极通道流型图[41]Fig.1.4Fuelcellcathodechannelflowpattern
【参考文献】：
期刊论文
[1]Direct numerical simulation of low Reynolds number turbulent air-water transport in fuel cell flow channel[J]. Zhiqiang Niu,Renfang Wang,Kui Jiao,Qing Du,Yan Yin. Science Bulletin. 2017(01)
[2]PEMFC全车况性能衰减的研究进展[J]. 王诚,黄俊,赵波,肖宇,赵鹏程,李建秋,张剑波. 汽车安全与节能学报. 2016(01)
[3]低流速燃料电池重力辅助排水[J]. 裴后昌,涂正凯,刘志春,沈俊,邱子朝,刘帆,刘伟. 化工学报. 2014(S1)
[4]质子交换膜燃料电池内传递现象的数值模拟[J]. 胡桂林,刘永江,樊建人,岑可法. 工程热物理学报. 2004(05)
[5]质子交换膜燃料电池新型静态排水结构[J]. 侯明,吴金锋,衣宝廉,曲天锡. 电源技术. 2002(03)
[6]涂布法制备质子交换膜燃料电池亲水电极[J]. 唐倩,韩明,林治银,衣宝廉. 电源技术. 2001(06)
[7]中国燃料电池的发展[J]. 毕道治. 电源技术. 2000(02)
[8]质子交换膜燃料电池电催化剂研究及膜电极制备技术[J]. 马紫峰,黄碧纯,石玉美. 电源技术. 1999(02)
[9]聚合物电解质燃料电池的研究进展[J]. 陈延禧. 电源技术. 1996(01)
[10]质子交换膜燃料电池及其水管理技术[J]. 孙红,吴玉厚,Liu Hongtan. 新能源. 2000 (11)
硕士论文
[1]PEM燃料电池蛇形流场中气体与水传输的模拟[D]. 范朝兵.武汉理工大学 2007
[2]车用质子交换膜燃料电池动态特性的研究[D]. 涂曙光.武汉理工大学 2007
本文编号：3593388
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