关键词:
质子交换膜燃料电池
计算机仿真
燃料电池测试
直角微结构
水气管理
摘要:
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其具有绿色环保与效率高等优势,应用于军事和民用领域。目前,水气管理问题成为了该行业进一步发展的阻碍,针对如何改善其内部的水管理与传质问题,国内外的研究者从多个方面入手,针对PEM燃料电池的不同部件进行研究。双极板流场结构的细微改动会对PEM燃料电池的性能产生影响。研究人员通过计算机仿真或者实验等其他手段设计了多种性能优异的流场结构,以此提高水管理能力,促进PEM燃料电池行业的发展。本文以优化流场结构作为研究目标,对多组优化流场借助计算机仿真手段进行研究,通过仿真结果后处理得到的云图分析其内部的水气分布情况等其他参数的表现。将平行流场与新型流场加工成型,组装成单电池,使用燃料电池测试系统YK-A10进行性能测试,与计算机仿真结果进行对比。同时,为研究工作参数与PEM燃料电池性能之间的关系,采用了计算机仿真与实验相结合的方式进行研究。具体的研究内容和结果如下:(1)选取平行流场作为参照流场,设计了基于直角微结构的新型流道结构。通过对三种不同直角收缩高度的仿真模拟,筛选出了最优的直角收缩高度0.3。通过对模拟所得云图分析,在0.3高度下,PEM燃料电池内部的反应物分布与液态水分布均得到了改善,PEM燃料电池的输出性能得到了提高。(2)研究了收缩高度为0.3的直角微结构流场的PEM燃料电池在0.55V工况下,温度、压力以及相对湿度三种工作参数对其性能的影响。通过12组变量的模拟,分析了质子交换膜燃料电池的性能与工作参数之间的关系。为确定PEM燃料电池最优的工作温度、压力以及相对湿度提供有力支撑。(3)成功加工出直角高度0.3的直角微结构流场与平行流场的双极板,其余组件通过商业购买所得,将其组装成单电池,分别对其进行燃料电池性能测试。测试结果表明,该直角0.3新型流场的输出性能较平行流场得到了提高,性能提升的幅度与计算机模拟所呈现的提升幅度基本一致。针对直角0.3新型流场还进行了温度与压力对燃料电池性能影响的实验,实验结果表明,压力、温度对燃料电池性能的影响与模拟所得结论基本一致。