高温质子交换膜燃料电池仿真与设计

【摘要】能源危机和环境污染已经成为当今世界的两大热点问题,开发高效、清洁、可持续的新能源来替代化石能源已经迫在眉睫。质子交换膜燃料电池凭借其高能量密度、适用性强等特点已经在便携式电源和电动汽车中得到了广泛使用。高温质子交换膜燃料电池将工作温度提升到120-180℃,有效的避免了液态水管理难题,同时还提高了电化学反应的活性,增加了对CO的容忍性,提高了热量利用率,但同时也对材料特性、流场设计、加热冷却策略提出了新的要求。为了更深入的了解高温质子交换膜燃料电池的工作特性和电堆设计方法,本文主要进行了以下工作：(1)建立了高温质子交换膜燃料电池的三维仿真模型。根据燃料电池的反应机理,在COMSOL中建立了三维全流场稳态单电池模型,针对三种常见形式的流场,分析其极化曲线、速度场分布、浓度分布、电流密度分布情况,同时还探讨了温度、压力、流量对电池性能的影响,仿真结果表明多通道蛇形流场综合性能最佳,交汇蛇形流场次之而平行流场较差,该结论为电堆设计及优化提供了理论分析基础；(2)完成了高温燃料电池堆设计与实验测试方案。设计了端板和三种流场的双极板结构,保证了电池的气密性要求；采用螺栓紧固的方式组装了单片电池和5片单电池构成的小功率电堆；选择加热箱来控制电池温度,实现对电池的预热和冷却；(3)在高温燃料电池测试平台上进行了单片电池和电堆的性能测试。在单片电池测试中,多通道蛇形流场表现出较好的性能,交汇型流场次之而平行流场最差,该结果与仿真结果一致,验证了仿真模型的可靠性；在电堆测试中主要分析了电堆内单电池的电压均一性,进一步分析了进气方式对于电堆内单电池进气量均一性的影响,发现两端进气方式气量分配更平均；除此以外还研究了温度对输出性能的影响,提高温度可以有效的提高电池性能,增大电池的最大输出功率。
【作者】吴禹；
【导师】苏宏业；李修亮；陈剑；
【作者基本信息】浙江大学，控制工程，2014，硕士
【关键词】高温质子交换膜燃料电池；三维稳态仿真；电堆设计；性能测试；

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