質子交換膜燃料電池傳質傳熱過程參數的數值模擬研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)能量轉換效率高，環(huán)境友好，可室溫下快速啟動，已成為燃料電池研究中的主流。但目前燃料電池還處于研究階段，它的一些機理和關鍵問題還沒有解決，其中傳質傳熱過程參數對電池性能有怎樣的影響，就是其中一個長期研究，但仍未最終解決的問題。 本文針對整體燃料電池，通過計算流體力學軟件Fluent建立了三維、兩相、非等溫穩(wěn)態(tài)模型，對質子交換膜燃料電池內部的傳

2、質傳熱過程進行了模擬與分析。 首先，描述了質子交換膜燃料電池的數學模型，包括流動、傳熱與傳質、電化學反應和水傳遞等模型。 其次，建立平行流場質子交換膜燃料電池幾何模型，在三維、兩相、非等溫模型的基礎上，將模擬值與實驗值進行比較。結果表明，模擬值與實驗值吻合較好。分析了電化學參數，主要是參考體積交換電流密度和傳遞系數對電池性能的影響。分析了陰極參考體積交換電流密度和陰極傳遞系數對電池內傳遞過程的影響，包括氣體傳遞特性、局部

3、電流密度、膜中水傳遞、膜的質子電導率以及溫度場的分布。結果表明，陰極參考體積交換電流密度和陰極傳遞系數對電池性能的影響程度遠高于陽極參考體積交換電流密度和陽極傳遞系數；且隨著陰極參考體積交換電流密度和陰極傳遞系數的增加，電池性能不斷提高；在較高電壓，較小電流密度時，陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數的增加對氧氣質量分數分布及局部電流密度分布影響較?。辉谳^低電壓，較大電流密時，陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數的增加，均可改善電池

4、的氣體傳遞特性及局部電流密度分布。其中陰極傳遞系數增加，使得催化劑層與膜界面的氧氣質量分數分布呈先減后增的趨勢；陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數的增加，使得膜中含水量分布不再均勻。在電壓較低，電流密度較大時，陰極傳遞系數的增加，使得膜中水含量呈先增后減的趨勢；陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數的增加，對電池溫度分布影響很小，但溫度梯度有所增加。 最后，為考查楔形流場質子交換膜燃料電池內的氣體傳遞、組分分布、膜內水傳遞、

5、溫度分布及電池性能，在三維、兩相、非等溫模型的基礎上，對楔形流場質子交換膜燃料電池建立了兩種幾何模型，運用Fluent軟件中的PEM模塊分別對其進行模擬分析，并將其結果與平行流場的情況進行了比較和分析。模擬結果表明：相對于平行流場，楔形流場可在多孔介質內產生一定的對流及提高擴散作用，特別是在低電壓高電流密度的情況下，提高了組分在反應界面的相對濃度，減小了電池的濃差極化損失，使反應界面局部電流密度的分布更均勻；楔形流場對質子交換膜內水傳遞

6、有一定影響，由于多孔介質內的對流及擴散作用，使得質子交換膜陰極側的水含量降低，因此其質子電導率低于平行流場；在低電壓高電流密度時，楔形流場質子交換膜膜的質子電導率的降低，導致膜內產生較高的歐姆熱，但由于多孔介質中的對流與擴散作用以及膜陰極側局部電流密度分布更均勻，因此并未造成較高的溫度分布；由于電化學反應熱和質子交換膜歐姆熱的作用，電池內的最高溫度發(fā)生在質子交換膜陰極側，最低溫度出現在集流板肋部對應的流道進口處；楔形流場質子交換膜燃料電