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研究生： 張庭煒
Chang, Ting-Wei
論文名稱： 質子交換膜燃料電池水生成與泛溢現象之數值分析
Numerical Analysis of Water Formation and Flooding Phenomena in Proton Exchange Membrane Fuel Cells
指導教授： 鄭金祥
Cheng, Chin-Hsiang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 119
中文關鍵詞： 質子交換膜燃料電池 、水管理 、VOF方法
外文關鍵詞： PEMFC, Water management, VOF method
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    • 在質子交換膜燃料電池中的操作過程中，液態水會不斷的生成凝結，若是無法有效的排除液態水，則會造成液態水泛溢的問題而影響燃料電池的性能，因此水管理的問題在燃料電池中顯得相當重要。但由於很難從實驗操作中，觀測到燃料電池內部液態水的生成與移動，特別是在孔質材料中的凝結和移動。因此本研究利用數值方法，整合熱流場分析與VOF方法，模擬燃料電池中液態水的生成與凝結，對電池性能造成的影響。建構完成兩種數值分析模式，擬暫態模式和暫態模式。研究發現，在液態水生成的區域，因為部份的孔隙被液態水佔據，造成氧氣無法有效的提供至觸媒層進行電化學反應，電池的性能會因此而下降。另一方面，為了減緩液態水在多孔性材質中的泛溢現象，本研究建構完成液態水在局部氣體擴散層中的運動模式之數值模擬模組，探討燃料電池氣體擴散層內孔洞尺寸變化對液態水傳輸的影響。研究結果顯示，具有孔洞尺寸變化的氣體擴散層，有比較好的排水效果。適當改變孔隙與液態水的接觸角，可以加速排除孔隙中的液態水，以減緩液態水泛溢的情形。

    When proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is in use, liquid water is usually formed in the catalyst layers. If the liquid water is not able to be removed smoothly, liquid water flooding may take place and the performance of PEMFC will be remarkably reduced. Therefore, water management in the PEMFC is critical. However, it is not easy to observe the liquid water formation and transport in these thin catalyst or gas diffusion layers by means of the experimental methods. For this reason, this study performs a numerical analysis of the liquid water formation and condensation in the channels by integrating the thermofluidic analysis and the VOF method, and evaluates the influence of liquid water formation on the performance of the PEMFC. In the present study, two numerical models, namely quasi-steady and unsteady models, are built and parametric studies have been attempted. It is found that when the pores of the porous layers are filled with liquid water in the liquid flooding situation, the reactant gases are not able to pass through the layers, and this causes a reduction in current density in the liquid flooding area. In addition, the effects of capillary force and the pore size gradient on liquid water transport in the gas diffusion layers (GDL) are investigated. Results show that the pore size gradient formed in the GDL helps remove the liquid water significantly. Meanwhile, the effect of the contact angle is also examined. It is observed that a proper adjustment for the contact angel in the GDL may accelerate the movement of the liquid water.

    摘要 I 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 VIII 符號索引 XII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 燃料電池發展史 1 　1-3 燃料電池分類 2 　1-4 質子交換膜燃料電池基本構造 3 　1-5 質子交換膜燃料電池原理 4 　1-6 參考文獻 5 　1-7 研究動機與目的 9 第二章 液態水於氣體擴散層傳輸之分析 12 　2-1 基本假設 12 　2-2 統御方程式 13 　2-3 建型建立 16 　2-4 邊界條件與初始條件 16 　2-5 模擬結果與分析 17 　　2.5.1　　接觸角對液態水傳輸之影響 17 　　2.5.2　　具有不同接觸角的孔隙，對液態水傳輸之影響 19 　　2.5.3　　孔洞尺寸變化對液態水傳輸之影響 19 　　2.5.4　　結果討論 20 第三章 燃料電池水生成與凝結之擬暫態模式分析 22 　3-1 基本假設 22 　3-2 統御方程式 23 　3-3 模型建立 29 　3-4 邊界條件設定 30 　3-5 理論分析 31 　3-6 模擬結果 32 　　3.6.1　　標準case模擬結果 32 　　3.6.2　　改變入口氣體的相對溼度之模擬結果 33 　　3.6.3　　改變入口流量的模擬結果 36 　　3.6.4　　改變操作溫度的模擬結果 39 第四章 燃料電池水生成與凝結之暫態模式分析 41 　4-1 基本假設 41 　4-2 統御方程式 42 　4-3 模型建立 44 　4-4 測試例之邊界條件設定 44 　4-5 理論分析 45 　4-6 測試例之暫態模式模擬結果 46 　　4.6.1　　從起始到趨近穩定之結果 46 　　4.6.2　　暫態模式燃料電池之模擬結果 46 第五章 結論 49 參考文獻 52 表目錄 表1.1 各種燃料電池之特性及範圍 57 表3.1 參數設定表 58 表3.2 擬暫態模式之標準case邊界條件設定表 59 表3.3 擬暫態模式之各種case的參數設定表 60 表4.1 暫態模式之測試例在不同時間相對應的平均電流密度 61 表4.2 暫態模式之測試例邊界條件設定表 62   圖目錄 圖1-1 質子交換膜燃料電池運轉示意圖 63 圖1-2 質子交換膜燃料電池內部水循環示意圖 64 圖2-1 質子交換膜燃料電池示意圖，氣體擴散層內的孔洞尺寸由小到大分布 65 圖2-2 數值模擬模型，孔隙直徑的大小由10 變至70 66 圖2-3 考慮液態水已經產生於部分孔隙中作為初始條件，藍色的區域為液態水 67 圖2-4 具有孔徑大小梯度的結構，毛細壓力差值造成液態水滴流動的驅動力 68 圖2-5 液態水在具有不同孔徑大小的孔隙材料中之傳輸現象，固體表面的接觸角為136度 69 圖2-6 不同的接觸角對液態水在孔隙中傳輸的影響，此為初始條件液態水的分布 70 圖2-7 在不同時間點，液態水於不同接觸角的孔隙的之分布 71 圖2-8 具有接觸角變化的孔隙模型. 72 圖2-9 比較液態水在接觸角由150度變至110度的孔隙與接觸角固定為136度的孔隙的傳輸行為 73 圖2-10 兩種不同的孔隙結構 74 圖2-11 在不同時間點，液態水於不同孔徑變化梯度的孔隙中之分布 75 圖3-1 擬暫態模式求解流程 76 圖3-2 燃料電池擬暫態模式數值求解幾何圖形 77 圖3-3 標準case尚未產生水凝結前的狀態 78 圖3-4 標準case之液態水分布 79 圖3-5 標準case之氧氣濃度分布 80 圖3-6 標準case之電流密度分布 81 圖3-7 case1尚未產生水凝結前的狀態 82 圖3-8 case 1之液態水分布 83 圖3-9 case 1之氧氣濃度分布 84 圖3-10 case 1之電流密度分布 85 圖3-11 case 2尚未產生水凝結前的狀態 86 圖3-12 case 2之液態水分布 87 圖3-13 case 2之氧氣濃度分布 88 圖3-14 case 2之電流密度分布 89 圖3-15 case 3尚未產生水凝結前的狀態 90 圖3-16 case 3之液態水分布 91 圖3-17 case 3之氧氣濃度分布 92 圖3-18 case 3之電流密度分布 93 圖3-19 case 4尚未產生水凝結前的狀態 94 圖3-20 case 4之液態水分布 95 圖3-21 case 4之氧氣濃度分布 96 圖3-22 case 4之電流密度分布 97 圖3-23 case 5尚未產生水凝結前的狀態 98 圖3-24 case 5之液態水分布 99 圖3-25 case 5之氧氣濃度分布 100 圖3-26 case 5之電流密度分布 101 圖3-27 case 6尚未產生水凝結前的狀態 102 圖3-28 case 6之液態水分布 103 圖3-29 case 6之氧氣濃度分布 104 圖3-30 case 6之電流密度分布 105 圖3-31 case 7尚未產生水凝結前的狀態 106 圖3-32 case 7之液態水分布 107 圖3-33 case 7之氧氣濃度分布 108 圖3-34 case7之電流密度分布 109 圖3-35 case 8尚未產生水凝結前的狀態 110 圖3-36 擬暫態模式之時間相對電流密度的曲線圖 111 圖4-1 穩態模式求解流程 112 圖4-2 暫態模式燃料電池示意圖與求解區域 113 圖4-3 暫態模式數值求解幾何圖形 114 圖4-4 平均電流密度相對時間之曲線圖 115 圖4-5 測試例之液態分布 116 圖4-6 測試例之質子交換膜的電流密度分布 117 圖4-7 測試例之陰極氣體擴散層與觸媒層交界面的氧氣濃度分 布 118 圖4-8 測試例之於陰極氣體擴散層與觸媒層交界面的水蒸氣濃度分布 119

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    下載圖示 校內：2013-08-24公開
    校外：2013-08-24公開
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