質(zhì)子交換膜燃料電池的氣場(chǎng)模擬與水管理.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)的氣場(chǎng)模擬可以為氣場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論指導(dǎo),對(duì)燃料電池進(jìn)行有效的水管理可以使質(zhì)子交換膜處于良好的潤(rùn)濕狀態(tài),同時(shí)又不使電極水淹,提高燃料電池的性能.本文首先描述了一個(gè)用于模擬PEMFC工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,模型考慮了流體的流動(dòng)、多孔介質(zhì)中的氣體擴(kuò)散、水的相變、水在質(zhì)子交換膜中的傳遞以及電化學(xué)反應(yīng).研究的區(qū)域包括陰極和陽(yáng)極的流道、擴(kuò)散層

2、、催化層和質(zhì)子交換膜.采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程描述整個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳遞現(xiàn)象,用不同的源相和相應(yīng)的物性參數(shù)描述不同性質(zhì)的層.然后,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)燃料電池堆進(jìn)氣箱和陰極流場(chǎng)進(jìn)行了氣場(chǎng)模擬.對(duì)進(jìn)氣箱的模擬結(jié)果表明,采用擴(kuò)壓型進(jìn)口加流線型擋塊的方案可以提高出口速度的均勻性,同時(shí)降低了進(jìn)氣箱入口所需的氣體壓力.對(duì)陰極流場(chǎng)的模擬結(jié)果表明,蛇形流場(chǎng)催化層與擴(kuò)散層交界面處的氧氣濃度比點(diǎn)狀流場(chǎng)的對(duì)應(yīng)值高,而該交界面上水蒸汽濃度比點(diǎn)狀流場(chǎng)的對(duì)應(yīng)

3、值低,同時(shí)蛇形流場(chǎng)擴(kuò)散層中間的氣體速度比點(diǎn)狀流場(chǎng)對(duì)應(yīng)值高,但進(jìn)口氣體所需的壓力高得多.最后,利用Fluent軟件的燃料電池模塊求解傳遞方程組和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程,獲得了質(zhì)子交換膜中的水分布和電流密度分布、陰極催化層上的液態(tài)飽和度和氧氣濃度分布、穿過(guò)膜電極方向水蒸汽的濃度和燃料電池的性能曲線.討論了質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行電流密度和溫度、陰極和陽(yáng)極加濕溫度、氣體擴(kuò)散層孔隙率等參數(shù)對(duì)以上結(jié)果的影響.結(jié)果表明,隨陰極加濕溫度的提高,在低電流密度運(yùn)