【摘要】：隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展,能源消費量不斷攀升,相應(yīng)環(huán)境問題日趨嚴峻。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn),人類必須找到清潔高效的能源應(yīng)用方式以實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級與綠色發(fā)展。作為第五代燃料電池,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有綠色高效優(yōu)點,成為解決環(huán)境與能源問題突破點,已引起全球能源領(lǐng)域科研人員關(guān)注。經(jīng)過多年研究,其性能與成本雖已實現(xiàn)較大發(fā)展,但某些瓶頸一直制約著其實現(xiàn)商業(yè)化,其中電池水熱管理水平就是急需提高的關(guān)鍵項之一。由于PEMFC本身特有屬性,電池工作過程中反應(yīng)生成物水與生成熱量相互關(guān)聯(lián)影響,而雙極板在電池內(nèi)部起到第一層次分配各反應(yīng)組分的重要作用,即雙極板流場還影響電池內(nèi)部水與熱量的分配。尤其應(yīng)用于大面積燃料電池時,雙極板流場設(shè)計是否合理將直接決定電池性能。目前雙極板流場研究內(nèi)容主要集中在流道截面形狀與流道結(jié)構(gòu)設(shè)計,而前者多以單一幾何截面為主,復(fù)合截面應(yīng)用于流道的研究內(nèi)容較少,故而本文提出多種復(fù)合截面方案以探究流道截面形狀對電池傳熱傳質(zhì)以及輸出性能的影響�；诎虢�(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦\用FLUENT 16.0中PEMFC模塊進行數(shù)值模擬仿真研究。氣體流道截面形狀對電池伏安特性曲線在高電流密度區(qū)域影響更為明顯,方案d可獲得最佳綜合性能。工作電壓為0.3V時,方案d中電流密度相較方案a可提高5.23%,在質(zhì)子交換膜燃料電池實際應(yīng)用于電堆以提高功率密度時具有積極工程意義。雖方案d中氣體流道內(nèi)壓降相對較大,但在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)。氣體流道側(cè)壁面傾角與頂部弧形段可使電池內(nèi)部具有相對較好水質(zhì)量分數(shù)分布,同時方案d在氣體流道內(nèi)可獲得較大流速,使得膜電極組件溫度分布均勻,同時交換膜處于良好潤濕狀態(tài),利于膜內(nèi)質(zhì)子傳輸。PEMFC工作過程復(fù)雜,當電池系統(tǒng)主體一致時,操作條件對電池性能以及內(nèi)部溫度分布均有重要影響。分析了氣體擴散層孔隙率、電流密度、工作溫度與操作壓力對電池性能的影響。仿真結(jié)果表明擴散層孔隙率降低在一定程度上可改善電池內(nèi)部水分布狀態(tài),氣體擴散層孔隙率為0.5時,電流密度最大同時交換膜內(nèi)保持更均勻溫度分布。電流密度表征電化學(xué)反應(yīng)速率快慢,電池高電流密度運行導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度上升同時溫度分布均勻性降低,綜合考慮溫度分布均勻性與電池輸出性能,電池工作電壓應(yīng)在0.45-0.65V之間。同一工作電壓條件下,當電池工作溫度低于353K時,交換膜最高溫度上升幅度低于工作溫度增幅,但當工作溫度高于353K時,升高工作溫度基本帶來交換膜最高溫度等幅升高。因此,為使交換膜獲得較好溫度分布與輸出性能,電池相對最佳工作溫度為353K。操作壓力為0.25 Mpa時可明顯提高輸出性能同時保持交換膜溫度分布均勻。
【學(xué)位授予單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM911.4
【圖文】：

攜設(shè)備與家庭電站[10]等場合，具有潛在的良好市場前點關(guān)注。作為汽車動力，PEMFC 工作產(chǎn)物無污染，具較純電動汽車而言，質(zhì)子交換膜燃料電池汽車在續(xù)航面同樣具有領(lǐng)先優(yōu)勢。交換膜燃料電池基本結(jié)構(gòu)極化作用，其開路電壓一般僅 0.9V 左右，故實際使要將多個單電池以模塊化方式組合連接為電堆堆棧。制備出兩極流道，此時也稱集流板為雙極板。典型電，其主要部件為質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層與其兩側(cè)催化層、氣體擴散層組成膜電極組件。圖示各定電池能量密度等關(guān)鍵工作性能。

圖 2.1 電壓變化曲線Fig. 2.1 Voltage change curve情況下多種極化作用導(dǎo)致了電池電壓的不可逆損失而低于其可包含活化極化actη 、歐姆極化ohmη 、濃差極化conη 等三個因素�？赡骐妷簽閛cactohmconV = V η η η。 2.1 所示，電池電壓在不同電流密度區(qū)域受各極化作用影響程流密度區(qū)，電壓損失主要受活化極化影響，此時各反應(yīng)組分須活化能以完成向生成物的轉(zhuǎn)化，其中隨電流密度提高活化極電流密度區(qū)域，歐姆極化損失占比最大，這是由于電池存在組接觸面界面電阻，阻礙了電流傳輸。高電流密度區(qū)域，濃度極是因為反應(yīng)程度提高，能斯特損耗與反應(yīng)損耗增大。開路電壓

1 幾何模型 章 所 建 立 單 直 通 道 質(zhì) 子 交 換 膜 燃 料 電 池 幾 何 模 型 外 形 尺 × 1.8mm×3.167mm，在保持電池幾何模型外形尺寸與結(jié)構(gòu)尺寸一定不同幾何形狀截面分別同時應(yīng)用于電池陽極與陰極氣體流道，各氣狀如圖 3.1 所示，并分別以 a，b，c，d，e 為代號進行表示。各電型均為中心對稱形式，不同之處為氣體流道截面形狀，現(xiàn)以矩形截方案 a：矩形 方案 b：雙梯形 方案 c：雙燕尾形

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本文編號：2763273