高溫PEM燃料電池的流場(chǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、傳統(tǒng)的PEM燃料電池一般是低溫燃料電池，工作溫度大約在80℃以下。相比而言，高溫PEM燃料電池(HT-PEMFC：High Temperature Proton ExchangeMembrane Fuel Cell)可簡(jiǎn)化燃料電池的水管理和熱管理系統(tǒng)。近年來(lái)，高溫PEM燃料電池的流場(chǎng)設(shè)計(jì)也逐漸成為研究的重點(diǎn)。
　　 本文首先介紹了PEM燃料電池CFD模擬的基本數(shù)學(xué)模型，主要包括流體力學(xué)基本控制方程、電化學(xué)反應(yīng)模型以及電池內(nèi)部的氣

2、體擴(kuò)散模型等理論知識(shí)。
　　 基于某高溫PEM燃料電池堆，主要從流道級(jí)別和流場(chǎng)級(jí)別，通過(guò)理論計(jì)算提出了單電池的基準(zhǔn)方案，模擬了單電池的性能。在此方案基礎(chǔ)上考慮不同流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，提出了三個(gè)優(yōu)化方案，并對(duì)其進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)條件下，高溫PEM燃料電池和常溫PEM燃料電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)存在著較大的差別；對(duì)于95℃的質(zhì)子交換膜燃料電池，采用流道寬度1mm、岸寬1mm、流道高度0.4mm的平行直流道時(shí)電

3、池性能最佳。
　　 分析了陰極不同加濕度對(duì)電池性能的影響，重點(diǎn)討論了三個(gè)特征電流密度下影響燃料電池性能的各個(gè)因素。其中，相對(duì)進(jìn)氣濕度對(duì)電池性能的影響主要體現(xiàn)在進(jìn)氣氧氣分壓的差異上，不同的氧氣分壓使電池內(nèi)部的壓降變化較大；根據(jù)Nernst公式，氧氣分壓對(duì)電池的影響體現(xiàn)在氧氣濃度對(duì)燃料電池電極動(dòng)力學(xué)上；濃差極化范圍內(nèi)(3.0 A/cm2時(shí))的膜中水含量和。MEA的氧氣摩爾濃度均小于歐姆極化范圍內(nèi)(1.2A/cm2時(shí))的指標(biāo)，這是電池

4、性能快速下降的主要原因。
　　 基于前述計(jì)算和分析的結(jié)果，模擬了一種新型的蜂窩型流場(chǎng)的單電池性能，并和傳統(tǒng)的平行流場(chǎng)單電池性能作對(duì)比。當(dāng)開(kāi)孔率為50％時(shí)，一層六邊形單元蜂窩流場(chǎng)和圓形單元蜂窩流場(chǎng)表現(xiàn)出最佳的電池性能。對(duì)于新型蜂窩型流場(chǎng)，從理論上來(lái)分析，分形的層數(shù)越多，單電池性能越好。但是在實(shí)際的生產(chǎn)中，對(duì)于不同尺寸要求的蜂窩型流場(chǎng)，都有一個(gè)適合自身的最佳分層數(shù)，而并非分形層數(shù)越多越好。在相同的操作條件和邊界條件下，二層結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的