質子交換膜燃料電池內的流動和傳質過程的數(shù)值分析.pdf

1、質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有能量轉換效率高、工作溫度低、啟動快、環(huán)境友好、設計操作簡單等優(yōu)點，最有希望成為航天、軍事、電動車、移動通信及區(qū)域性電站的首選電源。因此，其應用前景十分廣闊，市場潛力巨大，是燃料電池研究中的熱點。鑒于，目前通過實驗手段獲得電池內部的溫度、壓力、物質濃度及電流密度的詳細分布比較困難，而且費用很高。因此，對PEMFC內的流動和傳質過程的數(shù)值模擬研究，具有重要的工程意義與學術意義。 本文采用通用的Da

2、rcy定律描述多孔介質與非多孔介質區(qū)域的動量守恒，分別對交叉梳狀流道質子交換膜燃料電池的陰極和直流道質子交換膜燃料電池的陽極進行了詳細的數(shù)值模擬研究。首次給出了電池內的速度導數(shù)分布，得出了一些新的結論。為電極結構的優(yōu)化、流場的選擇、操作條件的篩選提供指導，為對PEMFC進一步的深入研究奠定基礎。 首先，針對交叉梳狀流道PEMFC的陰極，建立了二維的、穩(wěn)態(tài)的、多組分傳輸模型，用于研究電極內的流動和傳質過程。得到了電極內的壓力、速度

3、及速度導數(shù)、物質質量分數(shù)及電流密度的詳細分布。討論了操作條件（進、出口之間壓差、進口氧氣質量分數(shù)）和電極結構參數(shù)（電極厚度、電極肋條寬度、電極孔隙率、流道個數(shù)）的變化對電池性能的影響。結果表明：（1）隨著進、出口之間壓差的增加，電流密度是增大的，但是增大的幅度是逐漸降低的；大的壓差，意味著更多的動力被消耗，所以壓差存在一個最佳值；（2）隨著進口氧氣質量分數(shù)的增加，局部電流密度是增大的，但是其分布趨于不均勻，而平均電流密度隨著進口氧氣質量

4、分數(shù)的增大呈線性變化；（3）電極厚度存在一個最優(yōu)值，該值依賴于電極結構和氣體分配器的設計參數(shù)；（4）采用窄的電極肋條有利于提高電池的性能；（5）綜合考慮，電極孔隙率選在0.4左右為宜；（6）隨著流道個數(shù)的增加，進口速度與電極內的速度、反應界面上的氧氣濃度、局部電流密度都是增大的，而反應界面上的水蒸汽濃度是降低的；（7）從電極內的速度導數(shù)分布，得出電極內的速度梯度小，可以忽略多孔電極區(qū)域的慣性力，為在多孔電極內采用Darcy方程進行近似計

5、算提供理論依據。 其次，針對直流道PEMFC的陽極，建立了二維的、穩(wěn)態(tài)的、多組分傳輸模型，用于研究電池內的流動和傳質過程。模擬了沿流動方向上的物質變化情況。討論了進口速度、進口氫氣含量和催化層厚度對質量傳輸?shù)挠绊?。結果表明：（1）速度在氣體流道內呈拋物線分布，而在多孔介質層迅速下降，幾乎變?yōu)榱?；?）速度的最大值并不在流道的正中間，而是偏向流道與多孔擴散層相接的界面，并且該界面上的速度非零；（3）增大進口速度、增加進口氫氣含量、