質(zhì)子交換膜燃料電池傳質(zhì)傳熱過程參數(shù)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)能量轉(zhuǎn)換效率高，環(huán)境友好，可室溫下快速啟動(dòng)，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(jī)理和關(guān)鍵問題還沒有解決，其中傳質(zhì)傳熱過程參數(shù)對(duì)電池性能有怎樣的影響，就是其中一個(gè)長期研究，但仍未最終解決的問題。 本文針對(duì)整體燃料電池，通過計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent建立了三維、兩相、非等溫穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的傳

2、質(zhì)傳熱過程進(jìn)行了模擬與分析。 首先，描述了質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)學(xué)模型，包括流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)、電化學(xué)反應(yīng)和水傳遞等模型。 其次，建立平行流場(chǎng)質(zhì)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(chǔ)上，將模擬值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。分析了電化學(xué)參數(shù)，主要是參考體積交換電流密度和傳遞系數(shù)對(duì)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(shù)對(duì)電池內(nèi)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(zhì)子電導(dǎo)率以及溫度場(chǎng)的分布。結(jié)果表明，陰極參考體積交換電流密度和陰極傳遞系數(shù)對(duì)電池性能的影響程度遠(yuǎn)高于陽極參考體積交換電流密度和陽極傳遞系數(shù)；且隨著陰極參考體積交換電流密度和陰極傳遞系數(shù)的增加，電池性能不斷提高；在較高電壓，較小電流密度時(shí)，陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數(shù)的增加對(duì)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布及局部電流密度分布影響較小；在較低電壓，較大電流密時(shí)，陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數(shù)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(shù)增加，使得催化劑層與膜界面的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布呈先減后增的趨勢(shì)；陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數(shù)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(shí)，陰極傳遞系數(shù)的增加，使得膜中水含量呈先增后減的趨勢(shì)；陰極參考體積交換電流密度或陰極傳遞系數(shù)的增加，對(duì)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(chǎng)質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)的氣體傳遞、組分分布、膜內(nèi)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(chǔ)上，對(duì)楔形流場(chǎng)質(zhì)子交換膜燃料電池建立了兩種幾何模型，運(yùn)用Fluent軟件中的PEM模塊分別對(duì)其進(jìn)行模擬分析，并將其結(jié)果與平行流場(chǎng)的情況進(jìn)行了比較和分析。模擬結(jié)果表明：相對(duì)于平行流場(chǎng)，楔形流場(chǎng)可在多孔介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生一定的對(duì)流及提高擴(kuò)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(yīng)界面的相對(duì)濃度，減小了電池的濃差極化損失，使反應(yīng)界面局部電流密度的分布更均勻；楔形流場(chǎng)對(duì)質(zhì)子交換膜內(nèi)水傳遞

6、有一定影響，由于多孔介質(zhì)內(nèi)的對(duì)流及擴(kuò)散作用，使得質(zhì)子交換膜陰極側(cè)的水含量降低，因此其質(zhì)子電導(dǎo)率低于平行流場(chǎng)；在低電壓高電流密度時(shí)，楔形流場(chǎng)質(zhì)子交換膜膜的質(zhì)子電導(dǎo)率的降低，導(dǎo)致膜內(nèi)產(chǎn)生較高的歐姆熱，但由于多孔介質(zhì)中的對(duì)流與擴(kuò)散作用以及膜陰極側(cè)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(xué)反應(yīng)熱和質(zhì)子交換膜歐姆熱的作用，電池內(nèi)的最高溫度發(fā)生在質(zhì)子交換膜陰極側(cè)，最低溫度出現(xiàn)在集流板肋部對(duì)應(yīng)的流道進(jìn)口處；楔形流場(chǎng)質(zhì)子交換膜燃料電