三維質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值模擬.pdf

1、本文首先對(duì)PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)分別引進(jìn)了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)三維模型，研究了質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)的傳遞現(xiàn)象和電化學(xué)特性，得到了電池的極化性能曲線。比較了數(shù)值模擬的結(jié)果和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明本文的數(shù)學(xué)模型能夠很好的模擬電池的工作性能。 在三維數(shù)學(xué)模型中同時(shí)考慮了流體流動(dòng)、熱量傳遞、電荷傳遞、多組分傳遞和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)。研究的區(qū)域包括陽(yáng)極和陰極集流板、陽(yáng)極和陰極流道、散

2、熱流道、擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜在內(nèi)的整個(gè)電池。采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程描述整個(gè)區(qū)域的傳遞現(xiàn)象，而用不同的源項(xiàng)和相應(yīng)的物性參數(shù)來(lái)反映不同性質(zhì)的層。通過(guò)FLUENT來(lái)求解傳遞方程組，并耦合電化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程，獲得了電池內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、反應(yīng)物組分濃度、電流密度等分布和電池的極化曲線。討論了質(zhì)子膜的水含量、操作壓和溫度對(duì)電池性能的影響，分析了進(jìn)料速度和入口水含量對(duì)電池性能的影響，結(jié)果進(jìn)料速度和入口水含量都對(duì)電池的性能有很大的影響，當(dāng)進(jìn)料速度達(dá)到一

3、定速度后，再增大對(duì)電池性能就幾乎沒有影響了，入口水含量過(guò)多和過(guò)少都會(huì)降低電池的性能。 然后，基于前面所用的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，比較和計(jì)算了直流道與交叉梳狀流道結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜燃料電池的流場(chǎng)、電流密度和物料等的多維分布。詳細(xì)分析和比較了兩種流道結(jié)構(gòu)的流動(dòng)和傳質(zhì)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與直流道相比，交叉梳狀流道結(jié)構(gòu)的電池由于流道的一端被封死迫使流體通過(guò)電極而產(chǎn)生強(qiáng)烈的強(qiáng)制對(duì)流。在傳統(tǒng)流道設(shè)計(jì)的PEMFC中，反應(yīng)物從流道到催化層的供應(yīng)和生成物從催化層

4、到流道的排出主要是以擴(kuò)散為主，而在交叉梳狀流道到設(shè)計(jì)中，以流動(dòng)帶動(dòng)的對(duì)流傳遞則占據(jù)了主導(dǎo)地位，而且這種以對(duì)流為主的傳遞機(jī)理大大提高了反應(yīng)物和產(chǎn)物傳遞速率，從而有效地改善了電池的極限電流密度和極化性能等特性。 最后，基于前面引進(jìn)的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了質(zhì)子交換膜燃料電池的電場(chǎng)、電流密度、膜中水含量和物料等隨時(shí)間的變化情況。詳細(xì)分析不同工況之間轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，并對(duì)影響所需時(shí)間的因素進(jìn)對(duì)計(jì)算與分析。對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池中散熱流道對(duì)電