質(zhì)子交換膜燃料電池的流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新型流場研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCeU，PEMFC)具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、低溫啟動(dòng)和無污染等優(yōu)點(diǎn)，所以是目前很有希望應(yīng)用于便攜式電源、小型固定發(fā)電站、電動(dòng)汽車等交通工具的動(dòng)力電源，市場前景相當(dāng)可觀。而目前的燃料電池還處于研究階段，它的一些機(jī)理和關(guān)鍵問題沒有解決，流場就是其中一個(gè)長期研究，但是仍然沒有最終解決的方面。 本文將針對(duì)燃料電池流場，通過計(jì)算流體軟件Fluent來進(jìn)行模擬流

2、場結(jié)構(gòu)及其尺寸的變化對(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，包括了流動(dòng)、傳質(zhì)、電化學(xué)反應(yīng)和水傳遞等模型。然后建立幾種不同流道深度的單流道燃料電池幾何模型，運(yùn)用Fluent軟件的PEM模塊分別對(duì)其進(jìn)行模擬分析，研究流道深度對(duì)流場壓力分布、濃度分布以及電池性能的影響情況，得出流道深度為0．4mm左右時(shí)最佳的結(jié)論；接著，在固定流道高度為O．4mm的前提下，建立不同流道寬度和岸的寬度的比值的單流道燃料電池幾何模型

3、，分別對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，燃料電池岸的寬度不應(yīng)該大于流道的寬度；綜合考慮電池性能和流場的壓降等因素時(shí)，尺寸比為l：1：1是燃料電池比較理想的流場尺寸比。 然后，在固定流道高度為0．4mm、流道寬度為0．8mm的前提下，建立5種不同截面形狀直流道的質(zhì)子交換膜燃料電池模型，分別計(jì)算其電池性能，結(jié)果表明非變截面流道的燃料電池性能相差很小，而變截面流道的燃料電池性能相對(duì)要好得多。 最后，設(shè)計(jì)了具有分形特性的蜂窩狀流場質(zhì)子

4、交換膜燃料電池模型，對(duì)其模擬后的結(jié)果表明，空隙率為50﹪時(shí)，蜂窩狀流場質(zhì)子交換膜燃料電池性能最好。當(dāng)空隙率相等時(shí)，蜂窩狀流場質(zhì)子交換膜燃料電池性能隨著分形層數(shù)的增加而逐漸變好。但是隨著分形層數(shù)的增加，其壓降和加工的復(fù)雜度也極大的增加，因此對(duì)于不同的流場板而言，它都有一個(gè)適合自己的最佳分形層數(shù)，并非分形層數(shù)越大越好。 本文主要從計(jì)算機(jī)模擬的角度，來優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)子交換膜燃料電池的流場。分別從流場結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)尺寸和采用新型流場等方面進(jìn)