质子交换膜燃料电池中的传递过程研究

燃料电池高效清洁的优点及广泛的应用前景,发展极为迅速。质子交换膜燃料电池融合材料科学、工程热物理和化工技术等领域的重要基础,形成多学科交叉前沿课题,开拓出微细通道传热、传质与多相流动等工程热物理前沿领域的重要工程应用。系统中的热物理问题是质子交换膜燃料电池开发中十分重要的技术基础,例如电极水管理和热管理。 着眼于燃料电池的热管理和水管理,本文分析了燃料电池中热和质传递模型的发展历程,指出研究质子交换膜燃料电池内传递过程的重要意义;针对多组分气体传递过程特性和机理,建立一维模型和二维模型揭示各组分浓度以及扩散率的变化规律,分析讨论二维模型中电流分布的不均匀性;建立质子交换膜电极整体数学模型,考虑所有可能的物理化学过程,展示温度与压力不均匀性,以及Knudsen效应的存在,深入分析这些因素对传递过程的影响。对比已有实验观察和数据,注意到理论模型与实验的差距主要源于对水传递过程的描述偏离实际,尚未深刻认识理解其所起作用和扮演的角色。 分别针对扩散层和催化层分析液态水的传递特点。根据实验图像提出液态水在扩散层中的两种运动形式,建立扩散层内水相变和传递的一维模型,数值模拟得出考虑相变时扩散层内水蒸气的摩尔分数不再是线形变化,靠近催化层界面处由于较大的相变速度水蒸气的摩尔分数非线形上升。扩散层入口处水的饱和度快速增大,基本不存在相变现象。所获得的催化层界面处饱和度和各组分浓度随电流密度变化曲线,验证了电流越大浓度极化越严重的实验观测结论。 本文还从制备过程和数学模拟两个方面分析指出,催化层的团聚结构和某些生物组织结构具有类似性,催化层的特殊结构使得实际运行中表面所吸附薄层,甚至其它水分子的结构和形态发生变异,引起水分传递加快,同时影响其它传递过程,这些理解和分析为质子交换膜燃料电池理论模型的进一步改进和发展提供了可能的新方向。