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学科主题物理化学
质子交换膜燃料水传递过程的稳态和暂态行为研究
屈树国
2011-03-17
导师衣宝廉 ; 李晓锦
专业化学工程
授予单位中国科学院研究生院
学位博士
英文摘要动态工况(如启动/加速)中质子交换膜燃料电池(PEMFC)的响应特性(如反应气传递、膜的润湿/脱水等)对PEMFC 的稳定性和可靠性都有着直接影响。因此,考察动态操作时操作条件(比如阴极空气计量比,温度等)和水平衡对PEMFC 性能的影响具有重要意义。然而鉴于PEMFC 的结构特性以及表征手段的限制,动态过程中相关参数的响应特性较难通过实验手段来获得。因此,在实验的基础上借助理论模型的解析来研究动态过程中膜内的水传递特性和优化PEMFC 的操作具有重要的现实意义。 本文建立了沿流道方向的二维动态PEMFC 模型。PEMFC 内多组分流动、传递,电荷守恒,热量守恒与电化学动力学的耦合采用有限元方法求解,之后将模型预测结果与实验结果进行对比以验证模型的有效性。在验证了模型有效性的基础上,本文进一步研究了负载变化时,阴极空气计量比的变化对PEMFC 动态响应特性的影响。结果表明:PEMFC 电压的过度降低现象可以通过提高阴极空气计量比的变化速率或增加初始空气计量比来减少或消除。其次,通过实验和模型计算相结合的方法研究了负载和阴极空气流速同时变化时膜中水含量变化对PEMFC 动态特性的影响。结果表明:在PEMFC 中水的重分布取决于质子交换膜内水的电渗拖曳和反扩散的动态平衡。最后,通过稳态渗透法测量了透过不同SiO2 含量的Nafion/SiO2 复合膜的水的传递通量。经过计算,提出了Nafion/SiO2 复合膜内水的表观扩散系数与SiO2 含量和温度的经验关联式。并将此经验关联式用于基于Nafion/SiO2 复合膜的非等温高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)模型,分析了HT-PEMFC 内反应气组分、温度和电势的分布特性。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://cas-ir.dicp.ac.cn/handle/321008/116491
专题中国科学院大连化学物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
屈树国. 质子交换膜燃料水传递过程的稳态和暂态行为研究[D]. 中国科学院研究生院,2011.
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