燃料电池封装力学及多相微流动

论文摘要

燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换为电能的电化学装置。由于最终产物只有水,燃料电池是非常环保的发电装置。尤其是质子交换膜燃料电池由于结构紧凑、启动快、效率高、无噪音、工作温度低等优点,不仅被认为是现代环保汽车的最佳动力源,而且是潜艇等需要高隐蔽性能等军事武器装备的理想动力源之一。多孔电极是质子交换膜燃料电池的重要部件之一,它由气体扩散层和催化层组成。其中气体扩散层是关键的功能结构材料,是由随机分布的碳纤维或正交编织的碳纤维束组成的高孔隙度材料,厚度在100-300μm左右,具有较高的电导率和渗透性能。气体扩散层的主要功能有:（1）将“燃料”（阳极中的氢气和阴极中的氧气或空气）从外部储气设备输送至催化层,要求具有高透气性;（2）为反应产物（水）和未反应完的气体提供微通道使之快速排出电极,要求具有两相混合流的良好传输性能;（3）与双极板耦合作用提供较低的界面接触电阻;（4）作为电子和热传导的重要介质,提供导电和传热功能;（5）作为催化剂载体,具有很高的比表面积,反应效率高;（6）具有一定的机械强度和刚度,为结构和系统封装提供联结和支撑作用。前五个功能都直接受到结构封装载荷的影响,第六个功能更是直接与封装载荷相关。在燃料电池堆的封装过程中,气体扩散层变形最大,并且封装压力作用下产生了非均匀压缩变形。如果封装压力太大,一方面气体扩散层孔隙度减小,反应效率下降:另一方面可能引起质子交换膜等相关组件的屈服甚至破坏。但是如果封装压力太小,不但界面接触电阻增大严重影响系统效率,而且可能造成电池堆整体结构封装失效或密封失效。然而以前有关质子交换膜燃料电池的相关研究都没有考虑封装压力对电池堆性能的影响,不但使燃料电池堆效率降低,而且常常造成可靠性较低等问题。近年来,关于燃料电池结构封装力学越来越受到关注,研究工作集中在封装压力对气体扩散层多孔材料力学特性、物理特性、微流体传输特性等重要性能的影响。本文以质子交换膜燃料电池为研究对象,以数值模拟为主要研究手段,研究了质子交换膜燃料电池在多物理过程耦合作用下的若干力学问题,重点研究了燃料电池在封装力作用下引起的一系列结构性能和物理性能的变化规律。不但从宏观尺度上研究了气体扩散层在封装压力作用下的力学行为、封装载荷对燃料电池性能的影响以及大型电池堆的封装受力和性能分析,而且在微观尺度上研究了气体扩散层中微液滴的形成、长大、聚集和传输过程,进一步揭示了质子交换膜燃料电池的重要反应产物——水的产生与传输原理。从电池堆（尺度在分米量级）、膜电极（毫米量级）、气体扩散层纤维结构（微米量级）三个不同尺度揭示了封装压力对燃料电池系统性能的影响规律和多孔电极内的液态水传输机理。本文提出了气体扩散层和双极板间界面的接触电阻率模型和接触电阻的计算方法,建立了一套用于分析多孔电极受到非均匀压缩时燃料电池性能预报方法。首先通过有限单元法研究了在封装压力作用下,双极板和多孔电极之间接触电阻的变化规律、气体扩散层的变形以及孔隙度的分布规律,然后用有限体积法分析反应物和生成物的输运过程。发现燃料电池封装压力导致气体扩散层的变形不但会直接影响界面接触电阻,而且会极大地影响扩散层的孔隙度分布、气体流道的几何尺寸和流动阻力,进而影响系统电压和电阻,并最终影响电池效率和工作可靠性。数值模拟结果显示当接触电阻可以忽略时（理想工况）燃料电池输出功率和极限电流都随着封装压缩力的增加而下降,当考虑接触电阻时（真实工况）存在最优封装压力。研究发现气体扩散层在封装压力作用下的变形显著影响燃料电池性能,尤其在高电流区域更为明显,其影响规律取决于封装压力与接触电阻和传质阻力间的关系。为了研究封装载荷对电池堆性能的影响,本文还提出了电池堆的封装模型,并结合电池堆流场分布模型分析了大型电池堆封装后的性能变化。不论是否考虑封装载荷造成的气体扩散层非均匀压缩,几乎所有燃料电池理论分析模型都涉及到多孔介质内两相流传输问题。两相流模型主要用来分析气体扩散层内的液态水平衡问题,也就是通常所说的水管理技术——一项影响燃料电池性能和寿命最关键的技术难题。传统的宏观均匀化结合非饱和流理论的分析方法高效、简单,过去已经被大量使用。但是这种基于宏观尺度的分析方法无法揭示两相流在多孔介质内部传输的本质,因而不能指导气体扩散层微结构设计。因润湿不够产生的质子交换膜失效问题和因排水困难产生的水淹问题长期得不到很好解决,这一问题已成为燃料电池电极设计最棘手的问题之一。本文根据微流体流动的基本理论,采用基于简化模型的解析方法和Lattice Boltzmann方法,对气体扩散层多孔介质内的两相流传输进行了数值模拟,揭示了微液滴在多孔电极中的形成、长大、聚集和传输机理与规律,对研制高性能的多孔电极具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 燃料电池技术概述
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.2.1 基本原理及结构
• 1.2.2 膜电极的结构及功能
• 1.2.3 封装力学-燃料电池的一项关键技术
• 1.3 本文主要研究内容及意义
• 2 膜电极研究现状与理论基础
• 2.1 气体扩散层的实验研究
• 2.2 电解质膜与催化层的研究
• 2.3 数值模拟研究方法
• 2.3.1 质子交换膜燃料电池的性能模拟
• 2.3.2 流场分析中的边界条件
• 2.3.3 气体扩散层的接触电阻模型
• 2.4 小结
• 3 封装载荷对气体扩散层性能的影响
• 3.1 双极板与气体扩散层的接触电阻
• 3.1.1 接触电阻率模型
• 3.1.2 基于有限元分析的接触电阻计算模型
• 3.1.3 双极板肋的形状设计
• 3.1.4 双极板肋宽对接触电阻的影响
• 3.2 封装后气体扩散层的变形
• 3.3 肋形状对气体扩散层变形和接触电阻的影响
• 3.4 小结
• 4 封装载荷作用下的单电池性能
• 4.1 交指型流场燃料电池封装后的性能变化
• 4.1.1 基本分析模型
• 4.1.2 封装压缩后的电池性能
• 4.2 平行流场电池封装后性能变化
• 4.2.1 基本分析模型
• 4.2.2 封装压缩后的电池性能变化
• 4.3 小结
• 5 封装载荷作用下的燃料电池堆变形与性能
• 5.1 燃料电池堆封装模型
• 5.1.1 第一级等效弹簧模型
• 5.1.2 第二级等效弹簧模型
• 5.1.3 等效弹簧模型验证和算例
• 5.2 燃料电池堆性能分析
• 5.2.1 1+1维模型及电池堆流体分布模型概述
• 5.2.2 歧管（气体分配管）流量分布模型
• 5.2.3 电池堆流体分布模型的数值实现
• 5.3 封装后电池堆性能分析算例
• 5.4 小结
• 6 气体扩散层内微液滴传输过程
• 6.1 纤维围栏毛细模型
• 6.2 LBM两相流方法
• 6.2.1 LBM两相流方法概述
• 6.2.2 LBM模拟毛细驱动微流体
• 6.3 影响液态水传输的若干因素的分析
• 6.3.1 边界条件对多孔介质内流动的影响
• 6.3.2 多孔介质中的毛细压力驱动流动
• 6.3.3 气相浓缩对液态水分布的影响
• 6.4 微液滴生成与传输过程模拟
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 附录A 主要符号表
• 附录B 主要名词索引
• 附录C 交指流场模拟算法实现流程图
• 附录D 平行流场模拟算法实现流程图
• 致谢
• 作者简介