基于強(qiáng)化傳質(zhì)的燃料電池流場(chǎng)優(yōu)化及水熱管理研究

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1、分類號(hào)學(xué)號(hào)D201377247學(xué)校代碼10487密級(jí)博士學(xué)位論文基于強(qiáng)化傳質(zhì)的燃料電池流場(chǎng)優(yōu)化及水熱管理研究學(xué)位申請(qǐng)人：沈俊學(xué)科專業(yè)：工程熱物理指導(dǎo)教師：劉志春教授答辯日期：2018年9月17日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringStudyonOptimalDesignofFlowFieldandWater-HeatManagementofP

2、EMFC——BasedonMassTransferEnhancementPh.D.Candidate:ShenJunMajor:EngineeringThermophysicsSupervisor:Prof.LiuZhichunHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,430074,P.R.ChinaSeptember,2018獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。，及取得的研究成果盡我所知，除文中己經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外本論

3、文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做。出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：曰期：ｍ年月口＾＾學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被杳閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存

4、和匯編本學(xué)位論文。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于不保密ｙ上方框“”（請(qǐng)?jiān)谝詢?nèi)打ｖ）學(xué)位論文作者簽名：：制Ｌ指導(dǎo)教師簽名円期：＞抨月円円期：年月円丨／〉？？，本文得到國(guó)家863項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金資助（No.2012AA1106016和No.51376069）華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文摘要質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）是一種高效能量轉(zhuǎn)化裝置，將儲(chǔ)存在氫氧燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池不但具有質(zhì)量輕、

5、能量密度高、噪音低、無機(jī)械部件磨損等優(yōu)點(diǎn)，而且具有環(huán)境友好、零排放、低紅外輻射等優(yōu)勢(shì)，已成為一種可靠的動(dòng)力源，廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。燃料電池的水、熱、氣管理對(duì)于電池的性能具有十分重要的影響，因而優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，強(qiáng)化電池內(nèi)反應(yīng)氣體的質(zhì)量傳輸，提高電池的氣場(chǎng)、熱量以及水分管理水平，是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵。論文圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池，研究并分析電池中水、熱、氣場(chǎng)管理水平與其性能之間的關(guān)系，發(fā)展了燃料電池的水/熱/氣強(qiáng)化理論和方法，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過提高電池的氣場(chǎng)管理水平，強(qiáng)化反應(yīng)氣體質(zhì)量傳輸可

6、以提高電池性能。本文采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法，研究燃料電池流道加凸臺(tái)對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，流道中加凸臺(tái)可以強(qiáng)化流道內(nèi)氣體質(zhì)量傳輸；矩形凸臺(tái)優(yōu)于半圓形凸臺(tái)；凸臺(tái)數(shù)量越多，電池性能提升越明顯，且陰極側(cè)加凸臺(tái)對(duì)電池性能影響尤為顯著。通過對(duì)反應(yīng)氣體對(duì)流傳質(zhì)中速度矢量和濃度梯度之間的夾角分析表明，流道中增加凸臺(tái)能有效減小此夾角。結(jié)合場(chǎng)協(xié)同原理，證明在凸臺(tái)的擾流作用下，增強(qiáng)了速度矢量與濃度梯度之間的協(xié)同，強(qiáng)化了氣體的對(duì)流傳質(zhì)作用，并提出采用有效傳質(zhì)系數(shù)來衡量電池的傳質(zhì)能力。電池的熱管理是制約電

7、池發(fā)展的又一重要因素。通過建立三維燃料電池模型，研究單電池工作溫度353K時(shí)，不同冷卻水雷諾Re數(shù)，不同電流密度，不同相對(duì)濕度下的溫度分布特性，并采用熱阻網(wǎng)絡(luò)法分析驗(yàn)證電池內(nèi)部溫度分布特性。結(jié)果顯示，相對(duì)濕度對(duì)電池的性能和溫度分布有較大影響；電池中最高溫度位于陰極擴(kuò)散層與催化層界面；且受冷卻水溫度控制，氣體出口溫度不會(huì)出現(xiàn)劇增，均在合理的范圍內(nèi)。但電流密度2A·cm-2，相對(duì)加濕度100%時(shí)，電池內(nèi)會(huì)出現(xiàn)局部溫度過高，需通過降低冷卻水入口溫度來使電池維持在合理工作溫度范圍內(nèi)。同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，分析反應(yīng)過程中水

8、-水蒸氣相變對(duì)電池堆熱平衡的影響。相變熱量對(duì)電堆熱平衡的影響不可以I華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文忽略。電池加熱過程中，通過提高冷卻水流量來提高對(duì)流換熱熱量；電池冷卻過程中，電池的熱平衡系數(shù)可達(dá)到1.0。但在高電流密度下，電池膜電極與冷卻水之間存在較大的溫差，需要高導(dǎo)熱系數(shù)的雙極板來提升電池溫度的均一性。燃料電池反應(yīng)過程中水-水蒸氣相變使熱管理和水管理相互耦合、相互制約。第四章考察不同流道模