【摘 要】
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质子交换膜燃料电池作为一种高效的能量转换装置,具有零排放潜力,对我国实现碳达峰、碳中和的目标有十分重要的意义。但单电池平面内存在温差大、组分分布不均匀、水淹等问题,严重影响质子交换膜燃料电池的输出特性,限制了质子交换膜燃料电池的大规模应用。针对上述亟待解决的问题,本文分别围绕超薄均温板的高导热性及其均温作用,多气路改善各单电池流量分配及内部组分分布等方面,采用理论分析、实验验证和数值模拟等方法对质
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目《内嵌微热管均温双极板成型机理及其在燃料电池热管理中的应用研究》,项目批准号:21776095
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质子交换膜燃料电池作为一种高效的能量转换装置,具有零排放潜力,对我国实现碳达峰、碳中和的目标有十分重要的意义。但单电池平面内存在温差大、组分分布不均匀、水淹等问题,严重影响质子交换膜燃料电池的输出特性,限制了质子交换膜燃料电池的大规模应用。针对上述亟待解决的问题,本文分别围绕超薄均温板的高导热性及其均温作用,多气路改善各单电池流量分配及内部组分分布等方面,采用理论分析、实验验证和数值模拟等方法对质子交换膜燃料电池的输出特性进行研究。分析了超薄均温板用于质子交换膜燃料电池堆热管理的传热过程,得到了超薄均温板与燃料电池流场板接触平面内温差和超薄均温板等效导热系数之间的关系式,发现温差与等效导热系数呈反比例关系,与导热距离之间是二次方关系。从总热阻和内部工质流动压力损失两方面研究了吸液芯厚度、蒸气腔厚度与均温板传热性能的关系,确定了超薄均温板的总厚度为1.5 mm。建立了超薄均温板与燃料电池组合体的热阻网络模型,发现接触热阻是影响贯穿平面内温度分布和最高温度大小的主要因素。将超薄均温板与石墨流场板组合成复合双极板（等效导热系数范围为7415～16025 W/（m K））,并与膜电极装配成实验用的质子交换膜燃料电池堆,研究了不同散热条件下超薄均温板对质子交换膜燃料电池堆输出特性的影响。当超薄均温板冷凝段采用强制对流散热方式时,超薄均温板燃料电池堆内单电池阴极气体扩散层表面的温度分布更均匀;当平均单电池电压为0.643 V时,超薄均温板燃料电池堆内单电池阴极气体扩散层表面的温差减小到了0.4℃;当电流密度为0.5 A/cm~2时,相比未采用均温板的燃料电池堆的平均单电池电压,阴极开放型超薄均温板燃料电池堆的平均单电池电压提高了9.0%。建立了单电池氢气流量分配均匀性的理论模型,分析得到多气路设置可以提高氢气流量分配的均匀性。多气路设置还可以改变反应气体分布和流道内水分布,提高了质子交换膜燃料电池堆的输出性能,当电流密度为0.6 A/cm~2时,双路、三路和四路供氢模式下超薄均温板燃料电池堆的输出电压较U形单路供氢模式下的输出电压分别提升了4.08%、4.50%和5.06%。多路供氢提高了燃料电池堆内各单电池氢气流量分配均匀性和单电池电压一致性。采用实验和数值模拟的方法研究了双路供氢和空气流向交替的质子交换膜燃料电池输出电压及内部组分分布。双路供氢和空气流向交替均可提高燃料电池堆的输出电压;双路供氢可以提高阳极流道下游的氢气质量分数;空气流向交替可改善阴极流道内的水分布,增加燃料电池内的含水量,提高膜的润湿性。
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