質(zhì)子交換膜燃料電池的氣場模擬與水管理.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)的氣場模擬可以為氣場的優(yōu)化設(shè)計提供科學的理論指導,對燃料電池進行有效的水管理可以使質(zhì)子交換膜處于良好的潤濕狀態(tài),同時又不使電極水淹,提高燃料電池的性能.本文首先描述了一個用于模擬PEMFC工作過程的數(shù)學模型,模型考慮了流體的流動、多孔介質(zhì)中的氣體擴散、水的相變、水在質(zhì)子交換膜中的傳遞以及電化學反應(yīng).研究的區(qū)域包括陰極和陽極的流道、擴散層

2、、催化層和質(zhì)子交換膜.采用統(tǒng)一的數(shù)學方程描述整個區(qū)域內(nèi)的傳遞現(xiàn)象,用不同的源相和相應(yīng)的物性參數(shù)描述不同性質(zhì)的層.然后,利用計算流體動力學軟件Fluent對燃料電池堆進氣箱和陰極流場進行了氣場模擬.對進氣箱的模擬結(jié)果表明,采用擴壓型進口加流線型擋塊的方案可以提高出口速度的均勻性,同時降低了進氣箱入口所需的氣體壓力.對陰極流場的模擬結(jié)果表明,蛇形流場催化層與擴散層交界面處的氧氣濃度比點狀流場的對應(yīng)值高,而該交界面上水蒸汽濃度比點狀流場的對應(yīng)

3、值低,同時蛇形流場擴散層中間的氣體速度比點狀流場對應(yīng)值高,但進口氣體所需的壓力高得多.最后,利用Fluent軟件的燃料電池模塊求解傳遞方程組和電化學動力學方程,獲得了質(zhì)子交換膜中的水分布和電流密度分布、陰極催化層上的液態(tài)飽和度和氧氣濃度分布、穿過膜電極方向水蒸汽的濃度和燃料電池的性能曲線.討論了質(zhì)子交換膜燃料電池運行電流密度和溫度、陰極和陽極加濕溫度、氣體擴散層孔隙率等參數(shù)對以上結(jié)果的影響.結(jié)果表明,隨陰極加濕溫度的提高,在低電流密度運