基于水传递的质子交换膜燃料电池动态响应过程模拟

质子交换膜燃料电池很多情况下应用于变负载工况。尤其有液态水存在时，气体传质速度与与电子传递速度不一致，导致电池结构和性能受损、寿命降低。本课题基于质子交换膜燃料电池在物理尺度上的划分（膜或扩散层、电极、单电池），采用多尺度建模方法研究两相水传递情况下的动态响应特性。采用格子玻尔兹曼方法探讨负载变化时水相变机制，得出各组分扩散系数与水饱和度的定量关系；在此基础上，通过非稳态两相计算流体力学（CFD）模拟观察电池内部水气分布状况，分析传质和动态行为之间的关系；结合实验数据，建立人工神经网络模型，为PEMFC动态响应特性预测提供科学参考。

近些年来，PEMFC开发渐成燃料电池领域的一个研究热点。PEMFC的微型化和工程放大过程，需要对燃料电池结构及其系统进行优化，使其获得更高的电池性能。水管理是PEMFC设计和优化的重要内容，其理论依据为发生在内部的传递机理。本文以基于水传递的质子交换膜燃料电池稳态过程模拟为基础，考察了设计参数和操作条件对电池行为的影响，扩散层接触角和孔隙率增大有利于液态水排出和氧气传递，并得到了优化扩散层PTFE含量；为避免电池操作时的干膜和水淹，电池温度、相对湿度、过量系数、压力有合理的优化值。质子交换膜燃料电池在负载变化时的动态响应对于燃料电池的启动和汽车领域的应用是非常重要的。燃料电池的动态特性中，有三种主要的瞬态过程影响电压的下冲，分别是：反应气体在流道和多孔介质中的传输；质子交换膜的水化程度；双电层的形成与放电。膜水合是控制电压输出响应的主要因素，响应时间为10s，且阶跃电压正比于电流阶跃大小，温度升高、膜变薄、相对湿度和过量系数增大均有利于动态操作。但当电流阶跃超过一定值时，本文为1.2A/cm2，氧气传质成为控制因素，此时扩散层和催化层出现严重的水淹，活化极化超过了电池的开路电压，导致电池失效。数值模拟作为一种有效的电池结构设计和操作条件优化工具，不仅能够全面描述电池内复杂的传递现象，加深人们对电池工作的理解，而且对于设计和优化电池结构和预测不同操作条件下的电池性能，具有很强的指导意义，从而有效地缩短开发周期和大幅度降低开发成本。