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研究生: 韓瑋珊
Han, Wei-Shan
論文名稱: 排除燃料電池凝結水過程中之水滴動態研究
Dynamic Behavior of Liquid Droplets in Removal Process of Water Condensate in Flow Channels of a Fuel Cell
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: 2010
畢業學年度: 98
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兩相流模型
外文關鍵詞: PEM fuel cell, Water management, Two-phase model
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  • 在PEM燃料電池中,水管理一直是很困難的部分,特別是在一些孔質材料或是流道中,進入流道氣體中水蒸氣的分壓大於水的飽和蒸氣壓,或是電池的超做溫度低於水的沸點溫度,都會造成液態水在流道中形成。本研究以數值方模擬在流道中的移動性,並以商業軟體CFD-ACE+加以模擬,使用VOF模型追蹤水滴運動。另一方面,亦組裝一單蛇道電池模型,進行EIS實驗、IV曲線測試及可視化觀測,以確定凝結水對燃料電池性能的影響,並比較數值與實驗結果中水滴運動情形。
    研究中,探討不同進口流速對水滴運動之影響,並考慮不同流道表面性質(如接觸角等),對水滴運動所造成影響之探討。本研究在不同的電池操作條件下廣泛的討論液態水跟氣體在流道中的傳遞現象。以速度為2 m/s、重力方向為負Y方向和接觸角為70°為基本的比較範例,改變不同速度、接觸角和重力方向。結果顯示不同空氣速度和接觸角的確會明顯造成改變水滴移動,但重力方向的影響並不大。其中,尤以改變不同的接觸角所造成液態水滴運動型態的改變最為明顯。

    Water management in a PEM fuel cell has been a critical challenging issue, especially in the porous electrodes and reactant flow channels. As the partial pressure of water vapor exceeds the saturation pressure of water or the operating temperature of a PEM fuel cell is lower than the dew point of water vapor, liquid water may form to occupy the pore of gas diffusion layer and block the gas transport path. Consequently, the limiting current density is lowered, resulted from the mass-transport-limitation. Therefore, this study presents a numerical investigation of air-water flow in single serpentine channel on the cathode of a PEM fuel cell by using the commercial computational fluid dynamics (CFD-ACE+). The volume of fluid (VOF) model is adopted to trace the shape if the water droplet. The dynamic behavior of the droplet is simulated in flow channel of fuel cell at different reactant flow velocities. In addition, the effect of surface properties of flow channel was examined under various hydrophilic/hydrophobic characteristics, such as the contact angle of droplet. In this study a single-cell PEMFC with a serpentine gas flow channel is made as the model for experiment. The base conditions are : The air velocity is fixed at 2 m/s; the gravity is in negative y direction; the contact angle is 70 degrees. Results show the contact angle is the most important factor for liquid droplet removal.

    目錄 摘要 I ABSTRACT II 謝誌 III  目錄 V 表目錄 IX 圖目錄 X 符號索引 XVI 第一章 序論 1   1.1 前言 1   1.2 燃料電池早期發展 2   1.3 燃料電池分類 3   1.4 質子交換膜燃料電池基本構造 4   1.5 質子交換膜燃料電池原理 5   1.6 燃料電池之效率 6   1.7 燃料電池的水管理 7   1.8 文獻回顧 7   1.9 研就動機與目的 17 第二章 數值模擬方法 20   2.1 數學模式 20     2.1.1 VOF(volume of fluid)方法 20     2.1.2 CFS(continuous surface force)方法 22   2.2 統馭方程式 23     2.2.1 質量守衡方程式 23     2.2.2 動量守衡方程式 23   2.3 模型建立與邊界條件 24     2.3.1 模型建立 24     2.3.2 基本假設 24     2.3.3 邊界條件 25   2.4 軟體介紹及設定 26     2.4.1 軟體簡介 26     2.4.2 CFD-GEOM 設定 26     2.4.3 CFD-ACE+ 設定 26 第三章 水凝結觀測 28   3.1 實驗電池構造與規格 28   3.2 實驗相關設備 29   3.3 氣體流量供應 29   3.4 溫度控制 30   3.5 增濕系統 31 3.6 EIS量測原理 31   3.7 IV曲線與EIS測試結果 33     3.7.1 IV曲線測試結果 33     3.7.2 EIS測試結果 33   3.8 水凝結實驗結論 34 第四章 靜置水滴接觸角實驗與模擬 36   4.1靜置水滴接觸角實驗 36   4.2靜置水滴接觸角模擬結果 37     4.2.1 格點測試 37     4.2.2靜置水滴接觸角模擬 38 第五章 水滴移除動態分析 39   5.1 水滴移除動態實驗 39   5.2 水滴移除動態模擬 40     5.2.1 改變空氣進口速度模擬結果 40     5.2.2 改變燃料電池擺放方向模擬結果 42     5.2.3 改變接觸角模擬結果 42   5.3 水滴移除結果與討論 43 第六章 結論與未來展望 45   6.1 結論 45   6.2 未來展望 46  參考文獻 48 表目錄 表1.1 各種燃料電池之特性及範圍 52 表2.1兩種不同流體性質表 53 表3.1實驗氣體操作溫度設定表 54 表3.2實驗中不同電壓下流量設定值 55 表4.1不同格點數模型之比較 56 表5.1模擬不同速度與接觸角考慮下移動能力示意表 57 表5.2水滴移動情形之模擬與實驗結果對照表 58 圖目錄 圖1.1質子交換膜燃料電池運轉示意圖[25] 59 圖1.2水在燃料電池循環示意圖 60 圖1.3流道設計示意圖 61 圖2.1在經過時間 後流體流過網格(i,j,k)在X方向之示意圖 62 圖2.2在經過時間後 後F值在Z方向傳遞示意圖 63 圖2.3求解流道形狀尺寸示意圖 64 圖2.4流道空氣進出口與中水滴位置示意圖 65 圖3.1燃料電池組裝示意圖 66 圖3.2組合完成燃料電池圖 67 圖3.3燃料電池流道示意圖 68 圖3.4測試IV曲線之電子負載系統示意圖 69 圖3.5量測EIS實驗架設示意圖 70 圖3.6整體實驗驗架設示意圖 71 圖3.7實驗操控介面圖 72 圖3.8假想的燃料電池Nyquist圖 73 圖3.9不同操作條件下電池性能曲線圖 74 圖3.10實驗不同電壓下之EIS圖 75 圖3.11實驗不同流速流道積水 77 圖3.12電池性能與流道積水對照圖 78 圖4.1碳板鍍奈米薄膜改變接觸角 79 圖4.2在170°接觸角下作格點測試 80 圖4.3在404,248格點數下不同接觸角之模擬 81 圖5.1實驗流道與注水孔示意圖 82 圖5.2水滴接觸角為70°,速度為1m/s水滴運動觀測圖 83 圖5.3水滴接觸角為70°,速度為2m/s水滴運動觀測圖 84 圖5.4水滴接觸角為70°,速度為5m/s水滴運動觀測圖 85 圖5.5水滴接觸角為70°,速度為5m/s水滴運動觀測 86 圖5.6模擬水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為1 m/s水滴運動情形 87 圖5.7模擬水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為2 m/s水滴運動情形 88 圖5.8模擬水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為5 m/s水滴運動情形 89 圖5.9模擬水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為10 m/s水滴運動情形 90 圖5.10不同空氣入口速度在 秒時,水滴在流道中的位置圖 91 圖5.11水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為1 m/s時,壓力分布情況與水滴移動關係圖 92 圖5.12水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為2 m/s時,壓力分布情況與水滴移動關係圖 93 圖5.13水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為5 m/s時,壓力分布情況與水滴移動關係圖 94 圖5.14水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為10 m/s時,壓力分布情況與水滴移動關係圖 95 圖5.15水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,不同速度下比較壓力分布情況與水滴移動情形之關係圖 96 圖5.16水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為1 m/s時,流線分布情況與水滴移動關係圖 97 圖5.17水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為2 m/s時,流線分布情況與水滴移動關係圖 98 圖5.18水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為5 m/s時,流線分布情況與水滴移動關係圖 99 圖5.19水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,速度為10 m/s時,流線分布情況與水滴移動關係圖 100 圖5.20水滴接觸角為170°,重力為負Y方向,不同速度下流線分布情況與水滴移動情形之關係圖 101 圖5.21水滴接觸角為170°,速度為2 m/s時,重力為X方向時水滴運動情形 102 圖5.22水滴接觸角為170°,速度為2 m/s時,重力為負X方向時水滴運動情形 103 圖5.23水滴接觸角為170°,速度為2 m/s時,重力為Y方向時水滴運動情形 104 圖5.24水滴接觸角為170°,速度為2 m/s時,重力為負Y方向時水滴運動情形 105 圖5.25水滴接觸角為170°,速度為2 m/s時,重力為Z方向時水滴運動情形 106 圖5.26同時間 下,模擬水滴接觸角為170° ,速度為2 m/s時,不同重力方位水滴運動情形 107 圖5.27水滴接觸角為70°,速度為2 m/s,重力為負Y方向水滴運動情形 108 圖5.28水滴接觸角為90°,速度為2 m/s,重力為負Y方向水滴運動情形 109 圖5.29水滴接觸角為120°,速度為2 m/s,重力為負Y方向水滴運動情形 110 圖5.30水滴接觸角為170°,速度為2 m/s,重力為負Y方向水滴運動情形 111 圖5.31水滴在 時,不同接觸角,速度為2 m/s,重力為負Y方向時水滴移動情形的關係 112 圖5.32水滴不同接觸角,速度為2 m/s,重力為負Y方向,壓力分布情況與水滴移動情形之關係 113 圖5.33模擬水滴不同接觸角,速度為2 m/s,重力為負Y方向,流線分布情況與水滴移動情形之關係 114 圖5.34模擬水滴在不同接觸角,速度為1 m/s,重力為負Y方向時水滴移動情形的關係 115 圖5.35模擬水滴在不同接觸角,速度為2 m/s,重力為負Y方向時水滴移動情形的關係 116 圖5.36模擬水滴在不同接觸角,速度為5 m/s,重力為負Y方向時水滴移動情形的關係 117 圖5.37模擬水滴在不同接觸角,速度為10 m/s,重力為負Y方向時水滴移動情形的關係 118 圖6.1水滴在不同接觸角,不同空氣進口速度,對水滴移動速度之關係圖 119

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    下載圖示 校內:2011-08-25公開
    校外:2011-08-25公開
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