直接甲醇质子交换膜燃料电池中传热传质现象的研究

直接甲醇燃料电池(DMFC)被认为是21世纪电动汽车最佳候选动力源。本文对电动汽车用DMFC水管理、热管理和CO2气体管理相关的传热传质问题进行了深入的理论探索,并设计组装了一个活化面积为100cm2的DMFC单电池及其性能测试系统实验台。 为了阐明水在PEM中的传递机理,本文首先对DMFC的PEM中能量和质量迁移过程进行了定性分析和定量研究。应用有内热源的多孔介质中流体流动与换热理论求解了PEM中的温度分布和含水量分布,得到了与文献中报道的实验观察现象相一致的结论。计算结果还表明:反映水的热容量和膜的内部产热量的两个无量纲准则数D和N是研究PEM中热量和湿分迁移过程的重要工具;利用这两个重要的无量纲准则数D和N ,能对PEM中的流动和传热工况进行定性的分析和定量的判断;水的质量流率小和电流密度过高是造成膜失水的主要原因。 利用多孔介质模型首次对DMFC的PEM内两相逆流的形成和发展规律进行了探索研究。进一步从传热传质学的角度阐明了PEM干涸烧毁的机理。建立了多孔PEM中两相区内的一维、稳态、含内热源多孔介质相变传热传质模型。该模型考虑了毛细力、电渗力和相变的影响。推导出了PEM中两相区的无量纲理论长度δt的计算公式和PEM临界干涸准则数[ ?ω/γ]cr的表达式。利用该模型对两相区内液相水饱和度、各相的压力以及温度分布进行了数值模拟。模拟结果能够从机理上解释欧姆极化区DMFC性能变化规律,为确定阴极催化剂含载量与最佳PEM厚度的选取提供了理论依据。 通过推导和分析电池堆系统的热平衡方程式,明确了电池堆中废热的去除主要通过反应物吸收、水的蒸发和冷却系统三种机制来实现。在对Q?e v、Q? l和Q?r c三者关系的探讨中,进一步定量地建立了水平衡和热平衡的联系。依据DMFC电池堆水管理和热管理的要求,设计了一套分形树状网络通道散热系统。对该新型结构散热器的换热和泵功特性的分析表明其性能优于传统的平行通道和蛇行通道冷却系统。通过对该系统进行结构优化设计,得到了应用于DMFC堆的分形网络通道最优化结构参数。定量计算得到的热负荷、冷却水的质量流量以及冷却水进出口温差三者之间的联系曲线均表明,该结构能够将大部分温差转移到其覆盖区域的边缘部位,而核心部位的温度梯度能够控制在很小的范围内。计算结果还可用于MEA活化面积尺寸的优化设计。 本文将DMFC阳极流道中伴随有边界面上的气液质量传递过程的两相流动现象与传统加热管中流动沸腾现象进行了比拟,首次提出了“拟沸腾”的概念,并建立了拟沸腾压力降模型来预测阳极流道中压力变化情况。通过模型计算结果与相关试验资料的对比,验证了模型的正确性和适用范围,而且新发现了一个有趣的现象:对于小活化面积的电池,在小电流密度下运行时,流道中扩散层表面的“非活化点”处滞留的气泡核心对主流有较大的附加摩擦阻力作用。利用本文模型进行了参数分析,主要考察了电流密度、阳极进料流量和电池工作温度对流动压力降的影响。得到了一个十分有意义的推论:如果DMFC的活化面积较小,为了避免流道中压力分布不均匀对电池性能的影响,可以将电池水平放置以提高电池性能和稳定性;而当电池活化面积较大时,电池较适合竖直放置。