质子交换膜燃料电池水热管理研究

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一种直接将化学能转化成电能的发电装置。它不受卡诺循环的限制,能量转换效率高,只要有足够的氢气和氧气,就可以长时间连续运行。因能量转换效率高、噪音低、燃料来源广、无排放(反应产物为水)等优点,燃料电池已成为一种优秀的动力源,可用于备用电源、汽车、小型电站及军用领域,应用前景极为广泛。燃料电池水热管理对电池性能有重要影响,现阶段缺少对燃料电池堆内的温度分布研究,同时缺少系统且简便有效的水管理方法。本文对燃料电池堆内温度分布、液滴重力和尾气冷凝在电池排水中的应用进行了研究。 通过数值模拟的方法,本文研究了气体扩散层表面在不同条件下温度分布特性,结果显示：在不同操作条件下,扩散层(Gas Diffusion Layer, GDL)温度沿流道方向均上升,GDL表面温度在进口段温度升高幅度要大于电池出口段,流道表面扩散层温度低于岸下温度；电池操作压力升高可提高扩散层表面温度均一性；反应气体流量增大时,进口段GDL温度升高,出口段温度降低,GDL表面温度随进气温度升高而升高。 本文通过将微型热电偶置于阴极流场,对燃料电池堆进行温度检测,研究了不同操作条件对质子交换膜燃料电池温度分布的影响。结果显示,当反应气体为空气与氢气时,电堆内温度沿流道入口至出口逐渐升高；随着工作电流密度的升高,电堆中各单电池内温差随之增加；电堆中温度呈现中间高两边低的“上凸曲线”分布；随着空气流量的增大,单电池内温差逐渐减小；进口空气温度对电堆内温差影响不大；增大冷却水流量,电堆内温度均一性增加。当反应气体为氧气与氢气时,不同操作条件下,堆内最高温度处于电池堆出口处；随着电流密度的增加,各单电池内的温差增大；冷却水流量减小,电池堆内温差变大,温度升高；增大反应气体压力,电池堆中的温度分布更均匀。 通过对液滴受力进行理论分析,设计并制作重力辅助排水单电池,并实验研究了低流速重力辅助排水电池性能。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下运行时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳；电池竖直放置测试时,液滴重力与气体吹扫液滴排出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,提高不同放置方式电池温度,电池性能均上升；电池竖直放置运行时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。 质子交换膜燃料电池阴极尾气中含有大量高温饱和水蒸气,通过对其冷凝可以分离出大量的高纯度液态水,用于进气加湿,实现电池的自加湿运行。同时,对尾气冷凝电池性能研究分析后发现,尾气冷凝还能增强电池的水管理能力,提高出口附近电池的性能。在尾气冷凝过程中,冷凝器的散热主要以液态水的相变潜热为主。冷凝器的散热量随反应气体过量系数的增大而增大,随电池堆出口压力的增大而减小。在保证电池堆的自加湿条件下,电池堆运行温度越高,所需冷凝器的换热量越大。 本文从数值模拟、理论分析和实验测试三方面对质子交换膜燃料电池系统及其运行特性进行了深入研究,系统分析了不同操作条件对燃料电池运行特性的影响,研究结果对质子交换膜燃料电池的工程应用具有一定的指导意义。