車用PEMFC流場的數值模擬及優(yōu)化改進.pdf

1、隨著地球上一次能源（石油、煤等）日趨枯竭、環(huán)境污染日益嚴重，潔凈高效的能源利用方式逐漸成為未來能源開發(fā)和利用的方向。質子交換膜燃料電池由于低溫易啟動、體積比較小、功率密度較大、能量轉換效率高、無污染、能根據用電需求改變輸出等優(yōu)點，成為汽車理想的能源。目前的質子交換膜燃料電池尚處于研究階段，其中雙極板流場的研究是一項關鍵的課題，開發(fā)優(yōu)良的流場是提高質子交換膜燃料電池（PEMFC）性能的一個核心因素。本文的研究工作主要是針對質子交換膜燃料電

2、池流場，利用計算流體軟件CFX來計算模擬流場結構與尺寸對電池性能的影響。
　　首先，描述質子交換膜燃料電池的三維數學模型，包括電池的電化學動力學、電化學反應、電化學速率、電極極化等模型和連續(xù)方程、動量方程等數學控制方程；
　　然后，建立了質子交換膜燃料電池陰極簡化計算模型，確定了計算的合理邊界條件，分析電池陰極內氣體流動、擴散傳質和組份濃度分布等情況；接著，對電池在不同的進氣壓力和壓力差時的工作情況進行模擬，分析壓力對電池工

3、作的影響；在擴散層和催化層寬度固定的情況下，選取不同的流道寬度（脊寬比）、深度等結構計算分析，結果表明，流道的寬度、脊寬與流道深度的比值為1：1：1是較理想的流場尺寸比；
　　接著，以前面計算模型為基礎對流場進行改進，把流道的上壁面由平面改為具有一定的波紋形狀，并取幾組不同的波紋長度和波紋高度（波峰與波谷的距離）值進行計算，通過比較分析得出，波紋高度為0.03mm，波紋長度為0.833mm時，與傳統的上壁面為平面的流道相比，通過流

4、道/擴散層界面進入擴散層的氣體質量流量提高了1.23倍，對燃料電池傳質能力的提高是非常明顯的。
　　最后，建立了流道上壁面分別為平面和波紋形面的單通道和多通道蛇形流場以及交叉梳狀流場質子交換膜燃料電池陰極的整體計算模型并進行計算分析，結果表明，不論對于單通道流場還是多通道流場的燃料電池，與流道上壁面為平面時相比，流道上壁面為波紋形時，擴散層氧氣的濃度要更高，分布更均勻，而且流道內水的濃度要低，排水性能較好，燃料電池的性能得到了提高