有效的水管理對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的提高具有重要的影響。電池陰極通道內(nèi)液滴運(yùn)動機(jī)制及氣液兩相流模式是電池水管理的重要內(nèi)容,已成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文利用VOF模型模擬實(shí)驗(yàn)條件下各種因素對燃料電池陰極通道內(nèi)液滴運(yùn)動機(jī)制及氣液兩相流模式的影響。并且在此基礎(chǔ)上,結(jié)合多孔介質(zhì)模型模擬GDL內(nèi)外側(cè)壓力及氣相流率對液態(tài)水穿過GDL進(jìn)入陰極通道流動的影響。模擬結(jié)果表明,液態(tài)水穿過GDL微孔進(jìn)入陰極通道形成液滴并不斷生長,在氣流曳力的影響下,液滴形態(tài)將發(fā)生一系列變化。液滴間發(fā)生融合、吞噬現(xiàn)象的臨界孔間距為0.6 mm左右,并且融合、吞噬現(xiàn)象的發(fā)生會降低GDL表面液態(tài)水覆蓋率。不同的微孔形狀會引起通道內(nèi)形成的兩相流流型的變化,其中bridge flow的出現(xiàn)會加速液態(tài)水的排出,但會導(dǎo)致較大的壓降及壓降波動。氣相流率會對液滴形態(tài)產(chǎn)生影響,但對液滴運(yùn)動周期的影響可以忽略不計(jì),而液相流率對液滴形態(tài)及運(yùn)動周期的影響正好相反。另外還發(fā)現(xiàn),隨著氣液相流率的增加,通道進(jìn)出口平均壓降也會增加,但其隨液相流率的增加很小。通道進(jìn)出口壓降標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著氣液相流率的增加將顯著增加,這將造成電池輸出電壓不穩(wěn)。結(jié)合多孔介質(zhì)模型... 

【文章來源】：中國石油大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：98 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖[25]

中國石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文-3-束的直徑約為400μm，其具有單個纖維處的10μm孔徑和纖維束交叉處的100μm孔徑的雙峰孔徑分布[30,31]。用PTFE乳液等對用作GDL的碳紙及碳布做憎水處理后，其內(nèi)部會生成憎水的反應(yīng)氣體通道和親水的液態(tài)水傳遞通道，而經(jīng)過處理后其厚度往往介于100μm-300μm之間[32,33]。集流板又稱雙極板，也是影響電池性能和制造成本的一個重要因素。其主要為反應(yīng)氣體及液態(tài)水提供傳輸通道，同時提供電子及熱量的傳遞介質(zhì)。石墨板因?yàn)榈土膬r格及優(yōu)良的性能而被大范圍的應(yīng)用于此。圖1.1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖[25]Fig.1.1SchematicillustrationofbasicstructureforPEMFC(a)碳布(b)碳紙圖1.2GDL材料掃描電鏡圖[30]Fig.1.2ScanningelectronmicroscopeimagesofGDLmaterials⑵PEMFC工作原理PEMFC工作原理在圖1.1中也得到了很好的展示。一方面，氫氣從陽極板經(jīng)GDL進(jìn)入電催化層后，在催化劑作用下離解為氫離子和自由電子，氫離子水合后

第1章文獻(xiàn)綜述-6-1.2質(zhì)子交換膜燃料電池氣液兩相流研究為維持PEMFC內(nèi)部適當(dāng)?shù)乃浚瑢﹄姵剡M(jìn)行有效的水管理是勢在必行的。由于排水法的關(guān)鍵研究是難度較大的氣液兩相流問題，使得目前通過排水法對電池進(jìn)行水管理的文獻(xiàn)研究相對較少。但通過排水法進(jìn)行PEMFC水管理是較為有效且直接的方法，且在一定程度上來說，對氣液兩相流的研究也是其他水管理方法不可避免的。因此通過研究燃料電池內(nèi)氣液兩相流動來探尋對PEMFC進(jìn)行有效水管理及提高性能的方法，成為越來越多PEMFC研究人員的研究重點(diǎn)[38]。目前研究者主要通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩種方法來研究穿過GDL進(jìn)入氣體通道中的液態(tài)水的流動規(guī)律及液滴運(yùn)動機(jī)制，而且還研究了電池通道內(nèi)形成的氣液兩相流模式[16]。以下是一些關(guān)于PEMFC內(nèi)液滴運(yùn)動機(jī)制及通道內(nèi)氣液兩相流的經(jīng)典研究的概述。1.2.1陰極通道中兩相流的實(shí)驗(yàn)研究Hussaini[41]等人利用光學(xué)燃料電池試驗(yàn)平臺對電池陰極側(cè)液態(tài)水進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，確定了燃料電池通道內(nèi)氣液兩相流流型如圖1.4所示，后通過一系列實(shí)驗(yàn)確定了流型間的轉(zhuǎn)變邊界條件，并制定了首張流區(qū)圖。他們還引入了一個新的參數(shù)——壁面液態(tài)水覆蓋率（wettedareatotalarea1=），以此來更形象直觀的表示液態(tài)水在通道內(nèi)的分布。Anderson[42]等人在Hussaini[41]等人基礎(chǔ)上通過大量實(shí)驗(yàn)提出并證實(shí)了一種新的流型——液滴聚集區(qū)，補(bǔ)充前后流區(qū)圖如1.5所示。圖1.4燃料電池陰極通道流型圖[41]Fig.1.4Fuelcellcathodechannelflowpattern

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3593388