聚合物电解质燃料电池pefc过程模拟与优化研究

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1、上海交通大学硕士学位论文聚合物电解质燃料电池(PEFC)过程模拟与优化摘要聚合物电解质燃料电池(PolymerElectrolyteFuelCell，PEFC)，又称质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)，是目前燃料电池研究的热点之一。决定PEFC性能和寿命的因素众多，且各因素之间关系错综复杂，相互制约。面对这样一个复杂系统，单纯采用实验手段进行电池制备与操作条件的优化，需要大量时间、耗资又耗力，还很难得到一个全面的最优化结果。根据电化学工程理论，结合流体力学、热力学分析，建立数学模型，对PEFC系统过程进行模拟与优化，是

2、国际燃料电池研究界的一个重要方向。本文旨在利用现有的PEFC实验结果与理论研究基础，建立一个可以完整合理的描述PEFC系统工作原理的机理模型，通过分析模型输入参数(实验设定值)与输出结果(实验目标值)之间的关系，明确电池中各物理化学过程燃料电池输出性能的作用机理，以此对燃料电池的制备与操作条件、电池的输出性能及电池的寿命与稳定性等做出合理指导与预测。本文建立了一个完整描述PEFC电化学反应过程的二维稳态数学模型。针对PEFC不同组件及其特定功能，进行模块化建模，这些子模型包括气道模型、阳极扩散层模型、电解质膜模型、阴极扩散层模型以及电化学反应模型等。本文建立的模型是在对Trun

3、gVanNguyen等人的模型【18，2200】进行修正与补充的基础上建立起来的，建模过程主要新思路包括：(1)引入了Stefan．Maxwell方程描述扩散层对气体传质的阻力造成的扩散层内气体组分摩尔分数较气道内组分的变化；(2)考虑了阴极扩散层中液态水的传递过程，考虑了液态水的存在对扩散层有效孔率的影响；(3)考虑了在阴极工作气体中存在惰性气体情况下(如PEFC以空气作为氧化气)对电池性能的影响情况；(4)提出了阴极进气增湿情况下模型的修正方案。通过改变电池不同的输入参数，对比分析各输入参数对电池输出性能的作用机理发现：若保持电池两极气道压力相同，当电池平均电流密度较小时(

4、例如小于O．5A／cm2)，提高两极气道绝对压力可以提高电池性能；当电池平均电流密度较高时(例如大于O．5A／cm2)，提高两极气道绝对压力会导致电池性能下降；若保持阴极气道压力高于阳极气道压力，则电池的输出性能随两极气道压力差的增大而优化。这个结果与其他文献报道的模型计算结果【16】不一致。但与文献中的PEFC实验结果的极化曲线变化趋势【441相一致，这表明文章模型设计精确，也是本文的重要创新点。当电池工作温度较低时(例如低于800C)，在低电流密度区(例如小于0．2A／cm2)，提高电池体相温度会对电池性能造成负面影响；而在中高电流密度区(例如大于O．2A／cm2)，提高电

5、池体相温度可以提高电池性能；当电池工作温度较高时(例如高于800C)，在气道压力较低的情况下(例如常压)，在中低电流密度区(例如小于O．65A／cm2)，提高电池体相温度可以提高电池性能；而在高电流密度区(例如大于O．65A／cm2)，提高电池体相温度会使得电池性能下降。当保持电池体相温度不变，改变两极进气温度时，如果进气温度在较低温度范围内(例如低于800C)，提高进气温度可以提高电池性能。而如果进气温度较高(例如高于800C)，当电池平均电流密度在中低电流密度(例如小于O．8A／cm2)，进气温度升高有利于提高电池性能；在高电流密度区(例如高于O．8A／cm2)，进气温度升

6、高会导致电池性能下降。如果阴极气流中含有惰性气体，将导致阴极扩散层中氧气浓度下降而使电池性能降低。可以通过提高阴极气道压力来弥补惰性气体进气给电池性能造成的负面影响。阳极水气增湿在阳极气流中水气含量从0．5倍阳极温度下的饱和水气浓度到2倍饱和水气浓度的变化过程中，电池性能随阳极气流中水气含量的提高性能有较大幅度的升高。若在阳极燃料饱和水气增湿过程中夹带水，当夹带水含量达到O．25倍饱和水气量后，夹带水含量的增加，对提高电池性能的作用很小。对于相同的增湿度，纯水气增湿的效果明显好于饱和水气加液态水增湿。电池阴极气流增湿在本文叙及的电池参数和操作条件下，不能达到提高电池性能的目的，

7、反而对电池性能有轻微负面影响。另外，本文对比用Stefan．Maxwell方程描述两极气体扩散层的“完整模型”和忽略扩散层中传质阻力的“扩散层等同气道模型”的输出结果发现，两者在关键输出参数的结果上有较为明显的差异，因此，忽略扩散层传质阻力会对模型结果造成较大的误j^声芒。关键词：聚合物电解质燃料电池，热物理、数学模型，传质n上海交通大学硕士学位论文ProcesssimulationandoptimizationforPolymerElectrolyteFuelCellABSTRACTThe