摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种可以将储存在燃料（氢气和氧气）中的化学能直接转化成电能的装置，且运行过程并不涉及燃烧，其本身具有电能转化效率高、清洁无污染等特点，成为当今非常有潜力替代化石能源的新能源。在PEMFC电化学过程中，会释放大量热量并生成产物水，如果不及时排热排水将会导致电池内部出现局部热点和流道堵塞，造成质子交换膜的不可逆损伤和气体扩散受阻，最终会使电池的输出性能和使用寿命降低。本文采用实验和数值分析相结合的方式，对PEMFC电堆温度分布及传热传质特性进行了研究，分析了冷却液温度和氧气化学计量数对电池内部温度分布和传热传质的影响，并建立其与PEMFC输出性能的参数化关联，最终为PEMFC的水热管理策略提供参考。具体研究内容如下: （1）建立了PEMFC电堆性能测试及热电偶温度监测的实验测试方案。测试电堆由十五片经典平行气液直流道结构的单电池组成。为了研究电堆内部温度分布和传热传质规律,本文设计的实验方案中使用商用测试平台来监测电堆及内部单电池的进出口参数和输出功率等，在电堆中不同位置测试单电池阴极板上嵌入热电偶温度传感器，以实时监测电堆温度数据，分析电堆及内部单电池的温度分布特性和输出性能。然后对单电池进行数值模拟，根据实验监测到的PEMFC电堆中心的单电池的反应气体和冷却液进出口参数、外壁面温度和电流电压等数据，对单片电池进行贴近电堆内部实际运行环境的数值模拟，以分析PEMFC电堆中单电池内部传热传质特性。 （2）开展了冷却液温度对PEMFC电堆内部温度分布和传热传质影响的分析。分析了冷却液温度范围在50℃-70℃时电堆内部温度分布和传热传质特性。结果表明:电堆内部单电池的平均温度和温差呈“抛物线”分布，电堆中心单电池的平均温度最高、温差最大，输出性能最好。随冷却液温度的升高，电堆的温度升高，电堆内部的热平衡系数越小，堆内水相变放热对电堆热平衡的影响越小。同时，堆内各片单电池板上温度沿冷却液流向均逐渐上升，该温度梯度随电流密度的增加呈线性增加趋势。随冷却液温度升高，该温度梯度线性曲线的斜率越小，则电堆内部的温度分布越均匀，电堆的输出性能越高。结合数值模拟结果可知，在各工况下，在阴、阳极气体扩散层与催化层交界面上，氢气由于反应消耗量较多，压降大，出口端出现回流，沿流向出现先降低后上升的趋势。氧气则沿空气流向逐渐被消耗降低;随冷却液温度的升高，电池内部反应气体和水分布均匀性均得到改善,提高了电池的输出性能。 （3）开展了氧气化学计量数对PEMFC电堆内部温度分布和传热传质影响的分析。研究了氢气化学计量数为1.5,氧气化学化学计量数在1.6-2.6范围变化时电堆内部温度分布和传热传质特性。实验和数值模拟的结果表明:随氧气化学计量数的增加，电堆的平均温度和温差逐渐下降，热平衡系数减小，水相变放热对电堆内部热平衡的影响降低，充足的氧气让氢气更充分地参与反应，电堆的输出功率在氧气化学计量数达到2.2时最高。而过高的氧气化学计量数会让电堆的热平衡系数增大，水相变对电堆热平衡的影响增大。堆内单电池的温度梯度曲线斜率随氧气化学计量数的增加也先逐渐减小后增大，在氧气化学计量数2.2时最低，说明在氧气化学计量数为2.2时，水相变对电堆的热平衡影响最小，堆内温度分布均匀性最佳，电堆输出性能最高。结合数值模拟可知，随氧气化学计量数的增加，空气流速增大，让电池流道内部的水气传输能力增强，气体和水的扩散分布均匀性得到改善，流道下方与肋下区域的水气质量分数差减小、温差降低，电池的输出性能逐渐增加。但在氧气化学计量数超过2.2后，过高的空气流速让膜上的水热分布均匀性出现下降，让电池性能出现降低。故氧气化学计量数为2.2时，氢气、氧气和水在扩散层和催化层交界面上的扩散分布最均匀，质子交换膜中心截面上沿流向上的温度和水的分布均匀性最好,流道下方与肋下区域的温度差最小，输出性能最佳。
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