質(zhì)子交換膜燃料電池堆的熱模擬及優(yōu)化.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種新型的能源處理方式，具有工作溫度低、無(wú)污染、無(wú)腐蝕、比功率大、啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。但由于質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部約有40﹪～50﹪的能量耗散為熱能，致使電池溫度上升，電解質(zhì)膜脫水、收縮甚至破裂。因此，電池的冷卻對(duì)電堆的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，有著重要影響。 本文主要使用計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)分析燃料電池冷卻的問(wèn)題，使用了計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent中的PEM模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。首先介紹了

2、燃料電池的結(jié)構(gòu)及工作原理，描述了燃料電池及堆熱模擬相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。然后詳細(xì)說(shuō)明了FluentPEM模塊中的物理模型和數(shù)學(xué)模型。測(cè)試并分析了高性能計(jì)算機(jī)集群和FluentPEM模塊的并行效率和加速比，指出FluentPEM模塊的并行效率和加速比比HPCC低的原因是由于FluentPEM模塊并行計(jì)算時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通訊量過(guò)大。 探討了電池內(nèi)冷卻流道的位置對(duì)膜中溫度分布的影響，結(jié)果表明冷卻流道在槽下時(shí)比在岸下時(shí)的冷卻效果要好些，但相差

3、不大。冷卻水順流時(shí)膜中溫差比逆流是要小。在采用不同的雙極板和成型工藝時(shí)，可以不專門考慮冷卻流道的位置問(wèn)題。然后模擬計(jì)算了冷卻水流速和冷卻流道截面尺寸對(duì)長(zhǎng)為300mm的單電池的冷卻效果的影響。從計(jì)算模擬的結(jié)果可以看出，冷卻效果隨流速增加而增大，但隨著流速的增加，冷卻水吸熱量增加量逐漸變??；冷卻水進(jìn)出口溫差隨進(jìn)口溫度的增加而減少，隨與壁面的接觸面積增加而增加；在冷卻水流速在0.25～6m／s之間時(shí)，冷卻水的流速對(duì)膜中溫度分布的影響很小；此種