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学校代码 量Q垒窆2 学号—1 04972—080067

UDC 劣多萎理歹大浮 学 位 论 文 题 目 凰淦里曼丛燃料电池堆研究 英 文 题 目 S地盘鲤△i垒曼QQ!星亟Q￡￡星型堡Q 研究生姓名 裴后昌 指导教师 姓名——名溘溷L职称——j妇受一学位——篮虬 单位名称 国塞重点实验室 邮编垒三QQZQ 副指导教师姓名——途亚觊—一职称 单位名称 国塞重点实验室 邮编垒三QQZQ 申请学位级别 砸士 学科专业名称挝料加工工程 论文提交日期 2Q!!生堇且 论文答辩日期 2Q!!笙§且 学位授予单位武这理王太堂学位授予日期 答辩委员会主席—奎主盔L—J阅人 监：聋 堑渔耋

201 1年5月

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独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。

学位论文使用授权书

(保密的论文在解密后应遵守此规定) 研川㈣：豢R遏翩c㈣：獬刎何，

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摘 要

燃料电池的高效率和它对环境的友好性使得其在便携电源上有很大的应用 前景。对于便携式电源，传统的燃料电池系统显得十分臃肿。为了简化传统的 燃料电池系统，风冷电堆成了一个可行的方法。风冷燃料电池电堆简化了电堆 中的冷却系统，空气压缩机或气泵等系统，加湿系统。这使得燃料电池在便携 式电源的应用上更加方便。系统的简化使得风冷电堆和传统电堆的操作条件有 较大差异，因此对风冷电堆的传热、传质规律进行探讨，以优化电堆的流场和 MEA结构，在简化系统的同时又保持电堆高性能输出是非常必要的。本文主要 研究内容与结果如下。

(1)分析了风冷电堆工作状态，探讨了其中的传热、传质规律，建立了简 化的热、质传输平衡模型。

(2)通过模型进行模拟计算，认为在风冷电堆通常运行的温度范围30．70 ℃内，电堆的散热以空气强制对流为主，辐射散热量和自然对流散热量远小于 强制对流散热量。这点和有的文献描述相差较大。同时，当电池运行温度一定 时，在电池结构强度和接触电阻允许的范围内适当增加开孔率，提高流道的长 宽比，可以提高风冷电堆的散热效率。电堆开孔率在60％．70％之间，流道截面 积形状畈在1．4．1．8之间电池的散热效率最佳。另外，GDL的保水能力与GDL 的厚度和孔隙率有关。GDL越厚，孔隙率越低，其保水能力也越强。在保证氧 气传输的前提下，在500mA／cm2@0．6V工作时，GDL厚度应该是0．7mm，孔隙率 为60％。

(3)对不同流场及结构及不同MEA特性的电池进行了实验研究。认为电 池的性能随着GDL厚度的增加而增加，增加到最大值0．6mm时随着GDL的厚 度增加而减小。对GDL的疏水处理不仅可以在常规电池中有利于电池的排水， 还可以提高未加湿风冷电堆的性能；GDL疏水程度为40％时，电池的性能发挥 至最大值。在同时处于低湿度状态下，WUT复合膜的电池性能比Nation膜电 池的性能要好。

(4)对风冷电堆的操作条件进行了优化研究。实验得出，实验风冷电堆的 最佳运行温度为65摄氏度；实验风冷电堆的性能随着风量的增加而增加，当增

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加到2．68m3／min时电池性能最佳，当风量进一步增加时，电池由于被冷却空气 带走过量的水分，电池性能降低；阳极采用dead．end模式可以使得阳极的水含 量增高提高电池的性能，节省燃料。

关键词：质子交换膜燃料电池；风冷燃料电池电堆；水汽传输；GDL

Ⅱ

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Abstract

High efficiency^{offuelcellandits} environmentally friendly^{characteristicffas} brought^ita great application prospect^inthefieldof portable power．Compared、以t11 portable power,traditional^{fuelcellsaretoo} bulky．In^orderto simplify^traditional fuel cell system,air-cooled fuel cell stack call be a feasible way to solve the problem． Air-cooled stack can simplify the cooling system，air compressor,air pump system， humidification system and etc which make fuel cell more convenient in regard of the application⁰¹¹ portable power．The simplification^{of the} system brings^about maj^or different operating condition between air-cooled stack and traditional stack．，for this reason,discussing^{heatandmasstransfermechanismto} optimize^{theflowfieldof} the stack and the structure of MEA，simplifying the system while maintaining output of the high performance of stack are very necessary．The main research contents and results are as follows：

(1)Analyze^the working^{conditionofair-cooledstack．Discusstheheatand} mass transfer mechanism．Build the heat and mass transfer balance model．

(2)according^tothe analog computation^ofthe model，within^the operating temperature that range^{from30℃t070℃under} the air-cooled stack normal working condition,111e^heat dissipation primarily^{vieairforcedconvectionand} radiation heat as well as natural convection heat dissipation are far less than the heat capacity^{ofairforcedconvection．T11isdiffersfromthe} description^made by^the literature．Meanwhile when the stack are working under the condition of constant temperature．，within^{theallowedrangeofthe} strength^{ofthestackandcontact} resistance，appropriately increasing aperture^ratioand length—width^{ratioof theflow} field Can enhance the heat dissipation efficiency of the air-cooled stack．．When the

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transfer of oxygen，the thickness of GDL should be O．7mm and its aperture ratio iS 60％when operating^at 500mA／cm2 and 0．6V．

(3)Study^different types^{ofcellwhichcontainsdifferentflow} field，structure and MEA．111e performance of the cell will improve、硝tll^the increase of the thickness of GDL，when it increases to its maximum value 0．6rnm,then it will degrade^{witlltheincreaseof thethicknessof} GDL．Water repellent^treatmentto GDL Can not only help to drain off water from conventional cell but also Can enhance the capacity^{ofunhumidified} air-cooled stack．When hydrophobic degree^ofGDL reaches to 40％，the performance of the cell Can achieve to maximum level．The ability^{of resistanceto} dry^{of WUT} composite^{membraneismuchbetterthanthatof} Nation membrane．Under the sanle dry condition,performance of the cell using composite^{membraneisbetterthancell} using^{Nationmembrane．}

(4)Optimization^researchto operating^{conditionofair-cooledstackdrawa} conclusion that the optimum operating temperature is 65℃and that the performance of experimental alr-Cooled will increase along with the increase of air volume．，when increasing^{to2．68m3／min,the} performance^ofcell is the best,when^air volume continue to increase，the performance of the cell will degrade，because cooling air will take excess water from the cell．Anode using dead-end model can increase water content，thereby improving performance^{of thecelland} saving^fuel．

Key words：PEMFC；air-cooled stack；water^and gas transport；GDL

Ⅳ

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目 录

第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l
1．1课题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1
1．1．1质子交换膜燃料电池⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1．1．2质子交换膜燃料电池结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
1．1．3质子交换膜燃料电池的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
1．1．4质子交换膜燃料电池堆的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
1．1．5质子交换膜燃料风冷电池堆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
1．2文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6
1．2．1风冷燃料电池电堆研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
1．2．2扩散层中水的传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
1．2．3膜中水的传输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9
1．3选题目的和本文工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9
1．3．1选题目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9
1．3．2本文工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O
1．3．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10
第2章风冷电堆传热与传质模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11
2．1电化学反应与供气量的平衡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11
2．2风冷电堆热平衡模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
2．3风冷电堆质子交换膜水平衡模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16
2．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18
第3章风冷电堆热量与水气平衡设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9
3．1电化学反应与供气量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9
3．2风冷电堆热交换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．20
3．3风冷电堆水平衡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．25
3．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27
第4章MEA特性对电堆性能影响实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．28
4．1实验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28·

⋯⋯⋯．．28
．．⋯⋯．．．33
4．3 PEM对风冷电堆的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
4．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37
第5章操作条件对电堆性能影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。38
5．1实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38
5．1．1实验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．38
5．1．2实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一40
5．2风量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40
5．3温度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．43
5．4阳极尾气排气方式对电池性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45
5．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47
第6章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48
6．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48
6．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48
致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1
攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．54

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1章 绪论

本章介绍了质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 的研究意义和工作原理，并简单介绍了风冷质子交换膜燃料电池电堆的国内外 研究现状，最后介绍了本文的研究工作。

1．1课题背景

我们的居家、工作所需的大部分能源依赖化石燃料。虽然化石燃料是我们 社会生活的必需品，但是化石燃料的大量使用给我们的环境带来巨大的不良影 响。传统化石能源很多劣势：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能 后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在所需端所获 得的效率只有33～35％，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统化石的能源 利用方式给环境造成了巨大的污染。

由于能源和环境问题已经成为制约各国经济持续发展的重要因素，世界各 国加大了新能源技术的开发力度。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其无噪音、 无腐蚀、寿命长、可靠性及维修性好、工作电流大、比功率高、能量效率高、 冷启动快、高效率、无污染日益受到各国的重视【11。

1．1．1质子交换膜燃料电池

燃料电池是一种电化学设备，它直接、高效的将反应物的化学能转换为电能。 从发电的角度来看，燃料电池是一种能量转换设备。燃料电池分为很多类，主要 有：碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(P!AFC)、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。

1839年英国的Grove首先发明了燃料电池。1889年Mood和Langer首先 采用了燃料电池这一名称，并获得200mA／m2电流密度。60年代，燃料电池成 功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。

对于质予交换膜燃料电池，由于其不受卡诺循环限制，所以能量转换效率 高，无噪音、无腐蚀、寿命长、可靠性及维修性好、工作电流大、比功率高、

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能量效率高、冷启动快、高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本‘21， 成为世界各国研究的热点。

1．1．2质子交换膜燃料电池结构

i 集流板
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气体扩散层 子交换膜
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气体扩散层
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图1．1 PEMFC结构示意图

质子交换膜燃料电池的结构如图1．1所示，一个燃料电池有一个负充电的 电极(阳极)、正充电的电极(阴极)和一个电解质膜组成。其中，电池的阴极 和阳极由集流板，反应气体流道，气体扩散层(GDL)，微孔层，催化层组成。 在这些部件中，集流板是起收集电子，向外输出电能的部件，有时还起固定燃 料电池的作用，其材料一般是导电率高，力学性能稳定的金属。反应气体流道 是供反应气体流动的通道，其作用主要是将反应气体分配最佳的条件下进行反 应，同时可以方便的将反应生成的水排出燃料电池内部。目前，流道的主要形 式有长直流道，网状流道，单蛇形流道，多蛇形流道，交指形流道，点状流道 等。气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，它由碳纸或碳布等多孔介质材 料构成，既利于反应物均匀分配和生产物的及时排除，也传递电子和热量。扩 散层功能有t它支撑催化层和微孔层，因为催化剂或微孔层将涂在GDL上，故 其起了支撑作 高的孔隙率和 电化学反应。 密度高达3A* 的良导体：在 层是热的良导 气体扩散层孔