车用质子交换膜燃料电池装配力学及其对水热影响的研究
发布时间：2021-02-09 04:32
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种高效的绿色环保电源,用于车载能源具有低温快速启动、对燃料适应性强、不受卡诺循环的限制、能量转换率高、可靠性高等优点。车用燃料电池组通过装配压力使其各组件连接在一起,装配压力的大小会对气体扩散层（Gas Diffusion Layer,GDL）的多孔结构产生影响进而影响其传输特性,这对PEMFC的水管理和热分布以及性能带来了新的问题,本文利用数值模拟的方法,对装配压力引起的气体扩散层形变以及对电池水热和性能的影响进行了深入的研究,本文主要工作如下:（1）利用ANSYS仿真软件的GM模块建立单通道质子交换膜燃料电池的三维模型,利用有限元分析方法（Finite Element Analysis,FEA）研究了装配压力对PEMFC中GDL变形情况的影响,利用计算机绘图软件CAD进行了质子交换膜燃料电池气体扩散层变形的二维重构,并且以ASIS的格式进行输出,在软件GAMBIT中进行了不同装配压力的网格划分,以MESH的格式输出,在FLUENT导入,调出PEMFC模块用于流体力学仿真。（2）...
【文章来源】：浙江科技学院浙江省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理图
浙江科技学院硕士学位论文第1章绪论3率，R表示气体常数KmolJ，常量表示电荷传输系数，F表示法拉第常数molC，0i表示交换电流密度)(2cmmA，增加电极表面积、提高电池温度、使用具有活性更好的催化剂、增加电池的压力、增加燃料电池的反应物浓度等方法可以提高燃料电池的性能和效率。（2）浓差极化当在大电流下运行时，气体扩散层中的反应气体会大量消耗，化学反应时阴极会产生液态的水，一定程度上会产生“水淹”的现象，增加阴极通道的流动阻力。浓差极化公式为：lconciilnnFRT1（1-7）上式中，conc表示电池的浓差过电位，i表示电池的当前电流密度)(2cmmA，li表示燃料电池极限电流)(2cmmA。其中i与li距离越近，电池性能越不好。在燃料电池工作过程中，可以增大电流密度方法来延迟浓差极化时间。（3）欧姆极化欧姆极化的公式一般为：iRohm（1-8）上式中，ohm表示电池欧姆过电位，i表示电池电流密度)(2cmmA，R表示电池内阻cmk。减小电池内阻的方法有尽量使用相对较薄的电池电解质、增加燃料电池电极材料导电属性等等。图1-2燃料电池极化原理图
浙江科技学院硕士学位论文第1章绪论4质子交换膜燃料电池会同时发生三种类型的极化现象即活化极化、浓差极化和欧姆极化。图1-2为燃料电池的极化原理图。1.1.3质子交换膜燃料电池结构与组件质子交换膜燃料电池的阳极的结构包括阳极极板、阳极气体扩散层、阳极气体催化层，阴极的结构包括阴极极板、阴极气体扩散层、阴极气体催化层，其中最中间的组件为质子交换膜。电池电堆将双极板和膜电极交替叠合组装而成[5]，在各个单体之间嵌入密封物质，使用螺栓进行紧固连接，即可构成电堆，叠合压紧时应确保对正从而确保阴极和阳极气体能够正常进行通入氧气或者氢气，电堆工作的时候，反应物质进入气体通道然后接触气体扩散层，然后进行氧化还原反应，阳极氢气失去电子被还原，阴极得到电子被氧化，电子经过外电路生成电流从而发电。气体扩散层材料一般为碳纸[6]，厚度一般约为0.2mm左右，一般为经过四氟乙烯和炭黑处理后才进行使用的，其作用一般为机械支架、收集电流的的作用，而且催化层是化学反应的主要区域，所以必须有足够的表面积来促进氧化还原反应，制备催化层的关键因素是要实现憎水孔和亲水孔的分布合理，必须具备合适程度的亲水性和憎水性来保证最佳的湿度系数，也可以让反应生成的水可以被排出从而避免水淹。其中下图的图1-3为质子交换膜燃料电池气体流场板，图1-4为实验室的实验用质子交换膜燃料电池堆，此电池堆为较大功率的电池堆，实验室还有各种单体电池，图1-5为燃料电池的结构图，结构图由双极板、气体催化层、气体扩散层和质子交换膜等组件组成。图1-3燃料电池气体流场板
本文编号：3025054
【文章来源】：浙江科技学院浙江省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池工作原理图
浙江科技学院硕士学位论文第1章绪论3率，R表示气体常数KmolJ，常量表示电荷传输系数，F表示法拉第常数molC，0i表示交换电流密度)(2cmmA，增加电极表面积、提高电池温度、使用具有活性更好的催化剂、增加电池的压力、增加燃料电池的反应物浓度等方法可以提高燃料电池的性能和效率。（2）浓差极化当在大电流下运行时，气体扩散层中的反应气体会大量消耗，化学反应时阴极会产生液态的水，一定程度上会产生“水淹”的现象，增加阴极通道的流动阻力。浓差极化公式为：lconciilnnFRT1（1-7）上式中，conc表示电池的浓差过电位，i表示电池的当前电流密度)(2cmmA，li表示燃料电池极限电流)(2cmmA。其中i与li距离越近，电池性能越不好。在燃料电池工作过程中，可以增大电流密度方法来延迟浓差极化时间。（3）欧姆极化欧姆极化的公式一般为：iRohm（1-8）上式中，ohm表示电池欧姆过电位，i表示电池电流密度)(2cmmA，R表示电池内阻cmk。减小电池内阻的方法有尽量使用相对较薄的电池电解质、增加燃料电池电极材料导电属性等等。图1-2燃料电池极化原理图
浙江科技学院硕士学位论文第1章绪论4质子交换膜燃料电池会同时发生三种类型的极化现象即活化极化、浓差极化和欧姆极化。图1-2为燃料电池的极化原理图。1.1.3质子交换膜燃料电池结构与组件质子交换膜燃料电池的阳极的结构包括阳极极板、阳极气体扩散层、阳极气体催化层，阴极的结构包括阴极极板、阴极气体扩散层、阴极气体催化层，其中最中间的组件为质子交换膜。电池电堆将双极板和膜电极交替叠合组装而成[5]，在各个单体之间嵌入密封物质，使用螺栓进行紧固连接，即可构成电堆，叠合压紧时应确保对正从而确保阴极和阳极气体能够正常进行通入氧气或者氢气，电堆工作的时候，反应物质进入气体通道然后接触气体扩散层，然后进行氧化还原反应，阳极氢气失去电子被还原，阴极得到电子被氧化，电子经过外电路生成电流从而发电。气体扩散层材料一般为碳纸[6]，厚度一般约为0.2mm左右，一般为经过四氟乙烯和炭黑处理后才进行使用的，其作用一般为机械支架、收集电流的的作用，而且催化层是化学反应的主要区域，所以必须有足够的表面积来促进氧化还原反应，制备催化层的关键因素是要实现憎水孔和亲水孔的分布合理，必须具备合适程度的亲水性和憎水性来保证最佳的湿度系数，也可以让反应生成的水可以被排出从而避免水淹。其中下图的图1-3为质子交换膜燃料电池气体流场板，图1-4为实验室的实验用质子交换膜燃料电池堆，此电池堆为较大功率的电池堆，实验室还有各种单体电池，图1-5为燃料电池的结构图，结构图由双极板、气体催化层、气体扩散层和质子交换膜等组件组成。图1-3燃料电池气体流场板
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