車用PEMFC流場(chǎng)的數(shù)值模擬及優(yōu)化改進(jìn).pdf

1、隨著地球上一次能源（石油、煤等）日趨枯竭、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，潔凈高效的能源利用方式逐漸成為未來(lái)能源開發(fā)和利用的方向。質(zhì)子交換膜燃料電池由于低溫易啟動(dòng)、體積比較小、功率密度較大、能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染、能根據(jù)用電需求改變輸出等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車?yán)硐氲哪茉?。目前的質(zhì)子交換膜燃料電池尚處于研究階段，其中雙極板流場(chǎng)的研究是一項(xiàng)關(guān)鍵的課題，開發(fā)優(yōu)良的流場(chǎng)是提高質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）性能的一個(gè)核心因素。本文的研究工作主要是針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電

2、池流場(chǎng)，利用計(jì)算流體軟件CFX來(lái)計(jì)算模擬流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與尺寸對(duì)電池性能的影響。
　　首先，描述質(zhì)子交換膜燃料電池的三維數(shù)學(xué)模型，包括電池的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)速率、電極極化等模型和連續(xù)方程、動(dòng)量方程等數(shù)學(xué)控制方程；
　　然后，建立了質(zhì)子交換膜燃料電池陰極簡(jiǎn)化計(jì)算模型，確定了計(jì)算的合理邊界條件，分析電池陰極內(nèi)氣體流動(dòng)、擴(kuò)散傳質(zhì)和組份濃度分布等情況；接著，對(duì)電池在不同的進(jìn)氣壓力和壓力差時(shí)的工作情況進(jìn)行模擬，分析壓力對(duì)電池工

3、作的影響；在擴(kuò)散層和催化層寬度固定的情況下，選取不同的流道寬度（脊寬比）、深度等結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，結(jié)果表明，流道的寬度、脊寬與流道深度的比值為1：1：1是較理想的流場(chǎng)尺寸比；
　　接著，以前面計(jì)算模型為基礎(chǔ)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)，把流道的上壁面由平面改為具有一定的波紋形狀，并取幾組不同的波紋長(zhǎng)度和波紋高度（波峰與波谷的距離）值進(jìn)行計(jì)算，通過比較分析得出，波紋高度為0.03mm，波紋長(zhǎng)度為0.833mm時(shí)，與傳統(tǒng)的上壁面為平面的流道相比，通過流

4、道/擴(kuò)散層界面進(jìn)入擴(kuò)散層的氣體質(zhì)量流量提高了1.23倍，對(duì)燃料電池傳質(zhì)能力的提高是非常明顯的。
　　最后，建立了流道上壁面分別為平面和波紋形面的單通道和多通道蛇形流場(chǎng)以及交叉梳狀流場(chǎng)質(zhì)子交換膜燃料電池陰極的整體計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，不論對(duì)于單通道流場(chǎng)還是多通道流場(chǎng)的燃料電池，與流道上壁面為平面時(shí)相比，流道上壁面為波紋形時(shí)，擴(kuò)散層氧氣的濃度要更高，分布更均勻，而且流道內(nèi)水的濃度要低，排水性能較好，燃料電池的性能得到了提高