車用質(zhì)子交換膜燃料電池裝配力學(xué)及其對水熱影響的研究
發(fā)布時間：2021-02-09 04:32
質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一種高效的綠色環(huán)保電源,用于車載能源具有低溫快速啟動、對燃料適應(yīng)性強、不受卡諾循環(huán)的限制、能量轉(zhuǎn)換率高、可靠性高等優(yōu)點。車用燃料電池組通過裝配壓力使其各組件連接在一起,裝配壓力的大小會對氣體擴散層（Gas Diffusion Layer,GDL）的多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響進而影響其傳輸特性,這對PEMFC的水管理和熱分布以及性能帶來了新的問題,本文利用數(shù)值模擬的方法,對裝配壓力引起的氣體擴散層形變以及對電池水熱和性能的影響進行了深入的研究,本文主要工作如下:（1）利用ANSYS仿真軟件的GM模塊建立單通道質(zhì)子交換膜燃料電池的三維模型,利用有限元分析方法（Finite Element Analysis,FEA）研究了裝配壓力對PEMFC中GDL變形情況的影響,利用計算機繪圖軟件CAD進行了質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴散層變形的二維重構(gòu),并且以ASIS的格式進行輸出,在軟件GAMBIT中進行了不同裝配壓力的網(wǎng)格劃分,以MESH的格式輸出,在FLUENT導(dǎo)入,調(diào)出PEMFC模塊用于流體力學(xué)仿真。（2）...
【文章來源】：浙江科技學(xué)院浙江省
【文章頁數(shù)】：68 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
燃料電池工作原理圖
浙江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文第1章緒論3率，R表示氣體常數(shù)KmolJ，常量表示電荷傳輸系數(shù)，F(xiàn)表示法拉第常數(shù)molC，0i表示交換電流密度)(2cmmA，增加電極表面積、提高電池溫度、使用具有活性更好的催化劑、增加電池的壓力、增加燃料電池的反應(yīng)物濃度等方法可以提高燃料電池的性能和效率。（2）濃差極化當(dāng)在大電流下運行時，氣體擴散層中的反應(yīng)氣體會大量消耗，化學(xué)反應(yīng)時陰極會產(chǎn)生液態(tài)的水，一定程度上會產(chǎn)生“水淹”的現(xiàn)象，增加陰極通道的流動阻力。濃差極化公式為：lconciilnnFRT1（1-7）上式中，conc表示電池的濃差過電位，i表示電池的當(dāng)前電流密度)(2cmmA，li表示燃料電池極限電流)(2cmmA。其中i與li距離越近，電池性能越不好。在燃料電池工作過程中，可以增大電流密度方法來延遲濃差極化時間。（3）歐姆極化歐姆極化的公式一般為：iRohm（1-8）上式中，ohm表示電池歐姆過電位，i表示電池電流密度)(2cmmA，R表示電池內(nèi)阻cmk。減小電池內(nèi)阻的方法有盡量使用相對較薄的電池電解質(zhì)、增加燃料電池電極材料導(dǎo)電屬性等等。圖1-2燃料電池極化原理圖
浙江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文第1章緒論4質(zhì)子交換膜燃料電池會同時發(fā)生三種類型的極化現(xiàn)象即活化極化、濃差極化和歐姆極化。圖1-2為燃料電池的極化原理圖。1.1.3質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)與組件質(zhì)子交換膜燃料電池的陽極的結(jié)構(gòu)包括陽極極板、陽極氣體擴散層、陽極氣體催化層，陰極的結(jié)構(gòu)包括陰極極板、陰極氣體擴散層、陰極氣體催化層，其中最中間的組件為質(zhì)子交換膜。電池電堆將雙極板和膜電極交替疊合組裝而成[5]，在各個單體之間嵌入密封物質(zhì)，使用螺栓進行緊固連接，即可構(gòu)成電堆，疊合壓緊時應(yīng)確保對正從而確保陰極和陽極氣體能夠正常進行通入氧氣或者氫氣，電堆工作的時候，反應(yīng)物質(zhì)進入氣體通道然后接觸氣體擴散層，然后進行氧化還原反應(yīng)，陽極氫氣失去電子被還原，陰極得到電子被氧化，電子經(jīng)過外電路生成電流從而發(fā)電。氣體擴散層材料一般為碳紙[6]，厚度一般約為0.2mm左右，一般為經(jīng)過四氟乙烯和炭黑處理后才進行使用的，其作用一般為機械支架、收集電流的的作用，而且催化層是化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)域，所以必須有足夠的表面積來促進氧化還原反應(yīng)，制備催化層的關(guān)鍵因素是要實現(xiàn)憎水孔和親水孔的分布合理，必須具備合適程度的親水性和憎水性來保證最佳的濕度系數(shù)，也可以讓反應(yīng)生成的水可以被排出從而避免水淹。其中下圖的圖1-3為質(zhì)子交換膜燃料電池氣體流場板，圖1-4為實驗室的實驗用質(zhì)子交換膜燃料電池堆，此電池堆為較大功率的電池堆，實驗室還有各種單體電池，圖1-5為燃料電池的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖由雙極板、氣體催化層、氣體擴散層和質(zhì)子交換膜等組件組成。圖1-3燃料電池氣體流場板
本文編號：3025054
【文章來源】：浙江科技學(xué)院浙江省
【文章頁數(shù)】：68 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
燃料電池工作原理圖
浙江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文第1章緒論3率，R表示氣體常數(shù)KmolJ，常量表示電荷傳輸系數(shù)，F(xiàn)表示法拉第常數(shù)molC，0i表示交換電流密度)(2cmmA，增加電極表面積、提高電池溫度、使用具有活性更好的催化劑、增加電池的壓力、增加燃料電池的反應(yīng)物濃度等方法可以提高燃料電池的性能和效率。（2）濃差極化當(dāng)在大電流下運行時，氣體擴散層中的反應(yīng)氣體會大量消耗，化學(xué)反應(yīng)時陰極會產(chǎn)生液態(tài)的水，一定程度上會產(chǎn)生“水淹”的現(xiàn)象，增加陰極通道的流動阻力。濃差極化公式為：lconciilnnFRT1（1-7）上式中，conc表示電池的濃差過電位，i表示電池的當(dāng)前電流密度)(2cmmA，li表示燃料電池極限電流)(2cmmA。其中i與li距離越近，電池性能越不好。在燃料電池工作過程中，可以增大電流密度方法來延遲濃差極化時間。（3）歐姆極化歐姆極化的公式一般為：iRohm（1-8）上式中，ohm表示電池歐姆過電位，i表示電池電流密度)(2cmmA，R表示電池內(nèi)阻cmk。減小電池內(nèi)阻的方法有盡量使用相對較薄的電池電解質(zhì)、增加燃料電池電極材料導(dǎo)電屬性等等。圖1-2燃料電池極化原理圖
浙江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文第1章緒論4質(zhì)子交換膜燃料電池會同時發(fā)生三種類型的極化現(xiàn)象即活化極化、濃差極化和歐姆極化。圖1-2為燃料電池的極化原理圖。1.1.3質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)與組件質(zhì)子交換膜燃料電池的陽極的結(jié)構(gòu)包括陽極極板、陽極氣體擴散層、陽極氣體催化層，陰極的結(jié)構(gòu)包括陰極極板、陰極氣體擴散層、陰極氣體催化層，其中最中間的組件為質(zhì)子交換膜。電池電堆將雙極板和膜電極交替疊合組裝而成[5]，在各個單體之間嵌入密封物質(zhì)，使用螺栓進行緊固連接，即可構(gòu)成電堆，疊合壓緊時應(yīng)確保對正從而確保陰極和陽極氣體能夠正常進行通入氧氣或者氫氣，電堆工作的時候，反應(yīng)物質(zhì)進入氣體通道然后接觸氣體擴散層，然后進行氧化還原反應(yīng)，陽極氫氣失去電子被還原，陰極得到電子被氧化，電子經(jīng)過外電路生成電流從而發(fā)電。氣體擴散層材料一般為碳紙[6]，厚度一般約為0.2mm左右，一般為經(jīng)過四氟乙烯和炭黑處理后才進行使用的，其作用一般為機械支架、收集電流的的作用，而且催化層是化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)域，所以必須有足夠的表面積來促進氧化還原反應(yīng)，制備催化層的關(guān)鍵因素是要實現(xiàn)憎水孔和親水孔的分布合理，必須具備合適程度的親水性和憎水性來保證最佳的濕度系數(shù)，也可以讓反應(yīng)生成的水可以被排出從而避免水淹。其中下圖的圖1-3為質(zhì)子交換膜燃料電池氣體流場板，圖1-4為實驗室的實驗用質(zhì)子交換膜燃料電池堆，此電池堆為較大功率的電池堆，實驗室還有各種單體電池，圖1-5為燃料電池的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖由雙極板、氣體催化層、氣體擴散層和質(zhì)子交換膜等組件組成。圖1-3燃料電池氣體流場板
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