学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

燃料电池不锈钢双极板及其实验和仿真

作　者: 王山领
导　师: 隋升
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力工程
关键词: 不锈钢双极板质子交换膜燃料电池表面改性流场实验仿真
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 56次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一,不但影响电池的性能,而且影响电池的成本,成为燃料电池产业化的瓶颈。不锈钢因其优良的耐腐蚀和易加工性能,常被选作PEMFC金属双极板的材料。然而,不锈钢双极板在PEMFC工作条件下的腐蚀问题成为制约其应用的主要因素,同时表面的钝化膜,增加了电池内部的接触电阻。因此,以不锈钢用作PEMFC双极板材料,必须对其进行表面改性处理,在其表面形成一层导电保护层,增强不锈钢在阴极酸性氧化环境下的抗氧化性能和阳极酸性还原环境中的耐腐蚀性能。为了改善电镀表面出现不利于防腐蚀的针孔的现象,本文通过复合镀层工艺,在304L不锈钢表面上先镀银作为底层,然后再电镀或溅射一层薄金层,从而起到覆盖针孔达到致密化作用。经过上述表面改性后的不锈钢双极板表面复合镀层界面导电性能良好:在模拟组装燃料电池电堆条件下,测得其与Toray060碳纸的接触电阻为2.7～3.1mΩ·cm²,约·是未处理不锈钢接触电阻的十五分之一。耐腐蚀性能测试表明,相对于未处理的304L不锈钢机体上有了显著提高:在0.05mol/L H₂SO₄+5×10^-6mol/L HF的模拟燃料电池腐蚀溶液中,镀银-镀金复合镀层和镀银-溅射金复合层不锈钢较未处理不锈钢其腐蚀电位分别提高了0.45V和0.49V,腐蚀电流密度下降1-2个数量级,维持在10-7～10-7.5mA/cm²之间。同时对双极板流场结构也做了一些研究,提出了用于一体式再生燃料电池使用的双极板流场,所述流场针对燃料电池模式（放电模式）和水电解模式（充电模式）流体流动的各自特点,提出非均匀流体流动通道设计,通过调换流体流向实现双效模式之间的转换,从而达到燃料电池模式和水电解模式的高效率;还提出了一种燃料电池技术领域的金属薄板冲压成型的燃料电池双极板,它由三块板构成,外侧两块气体流场板分别作为阳极和阴极流场板,中间板作为冷却液板。两块电极板有相同的蛇形流场,它们通过四周接触面及中间流场接触面与中间板相连接,冷却液流场板一侧通过冲压成形的流道与阴极流场板的背面的凹槽共同形成冷却液流道,而两侧的边框凹槽处放置密封材料防止冷却液外流。通过对厚0.2mm的SS304L不锈钢冲压双极板组装的单电池进行实验测试和用Fluent软件附加的PEMFC模块进行单电池仿真之间性能对比,修正模型使仿真结果比较接近实验结果从而确定了可靠的仿真模型。基于银-金复合镀层的结果,用该模型分析了改性后燃料电池不同接触电阻、室温下空气中的湿度对电池性能的影响以及气体的分布情况来优化流道设计。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-23
  1.1 质子交换膜燃料电池的概述  9-10
  1.2 PEMFC 双极板的功能和要求  10-11
  1.3 双极板的分类  11-16
    1.3.1 石墨材料  11-12
    1.3.2 复合材料  12-13
    1.3.3 金属材料  13-16
  1.4 流场设计  16-21
    1.4.1 双极板流道走向类型的研究现状  16-19
    1.4.2 双极板流道结构类型的研究现状  19-21
  1.5 双极板流道的加工  21-22
    1.5.1 无孔石墨双极板的制备与加工  21
    1.5.2 镀层金属双极板的加工  21-22
    1.5.3 复合材料板加工  22
  1.6 本文研究的内容  22-23
第二章不锈钢的表面改性研究  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 实验药品、仪器  23-24
  2.3 实验步骤  24-27
    2.3.1 样品的选取  24-25
    2.3.2 不锈钢的预处理  25-26
    2.3.3 电镀法制备导电防腐层  26-27
  2.4 性能测试  27-28
    2.4.1 表面形貌观察  27
    2.4.2 接触电阻测量  27-28
    2.4.3 电化学腐蚀性能研究  28
  2.5 结果与讨论  28-32
    2.5.1 观察镀层表面形貌  29-30
    2.5.2 各种样品与碳纸间接触电阻对比  30-31
    2.5.3 各种样品在模拟燃料电池常温环境中的耐腐蚀性  31-32
  2.6 本章小结  32-33
第三章流场的研究  33-43
  3.1 引言  33
  3.2 一体式双效再生燃料电池双极板流场的设计  33-37
    3.2.1 背景技术  33-35
    3.2.2 新型一体式双效再生燃料电池双极板结构  35-37
  3.3 冲压不锈钢双极板的设计  37-41
    3.3.1 背景技术  37-38
    3.3.2 新型不锈钢流场结构  38-41
  3.4 本章小结  41-43
第四章不锈钢冲压双极板燃料电池实验与仿真  43-61
  4.1 引言  43-44
  4.2 PEMFC 的不锈钢冲压双极板的冲压模的设计  44-45
  4.3 PEMFC 的实验  45-49
    4.3.1 PEMFC 单电池的各组件  45-48
    4.3.2 PEMFC 单电池的测试过程  48-49
  4.4 PEMFC 单电池模型仿真  49-53
    4.4.1 几何建模及网格划分  49-50
    4.4.2 PEMFC 流体力学模型假设  50-51
    4.4.3 边界条件和常数  51-52
    4.4.4 PEMFC 单电池实验与仿真结果对比  52-53
  4.5 电池性能仿真预测  53-59
    4.5.1 接触电阻的影响  53-54
    4.5.2 室温（25℃）下空气湿度的影响  54-55
    4.5.3 流场中气体的分布  55-59
  4.6 本章小结  59-61
第五章结论和展望  61-63
  5.1 结论  61-62
  5.2 展望  62-63
参考文献  63-65
致谢  65-66
攻读硕士期间参加课题和发表的论文专利  66-68

燃料电池不锈钢双极板及其实验和仿真

内容摘要

全文目录

相似论文