質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)值分析.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、啟動(dòng)快、環(huán)境友好、設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，最有希望成為航天、軍事、電動(dòng)車、移動(dòng)通信及區(qū)域性電站的首選電源。因此，其應(yīng)用前景十分廣闊，市場(chǎng)潛力巨大，是燃料電池研究中的熱點(diǎn)。鑒于，目前通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得電池內(nèi)部的溫度、壓力、物質(zhì)濃度及電流密度的詳細(xì)分布比較困難，而且費(fèi)用很高。因此，對(duì)PEMFC內(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)值模擬研究，具有重要的工程意義與學(xué)術(shù)意義。 本文采用通用的Da

2、rcy定律描述多孔介質(zhì)與非多孔介質(zhì)區(qū)域的動(dòng)量守恒，分別對(duì)交叉梳狀流道質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極和直流道質(zhì)子交換膜燃料電池的陽(yáng)極進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬研究。首次給出了電池內(nèi)的速度導(dǎo)數(shù)分布，得出了一些新的結(jié)論。為電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、流場(chǎng)的選擇、操作條件的篩選提供指導(dǎo)，為對(duì)PEMFC進(jìn)一步的深入研究奠定基礎(chǔ)。 首先，針對(duì)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(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程。得到了電極內(nèi)的壓力、速度

3、及速度導(dǎo)數(shù)、物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及電流密度的詳細(xì)分布。討論了操作條件（進(jìn)、出口之間壓差、進(jìn)口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和電極結(jié)構(gòu)參數(shù)（電極厚度、電極肋條寬度、電極孔隙率、流道個(gè)數(shù)）的變化對(duì)電池性能的影響。結(jié)果表明：（1）隨著進(jìn)、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(dòng)力被消耗，所以壓差存在一個(gè)最佳值；（2）隨著進(jìn)口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)口氧氣質(zhì)量

4、分?jǐn)?shù)的增大呈線性變化；（3）電極厚度存在一個(gè)最優(yōu)值，該值依賴于電極結(jié)構(gòu)和氣體分配器的設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)的增加，進(jìn)口速度與電極內(nèi)的速度、反應(yīng)界面上的氧氣濃度、局部電流密度都是增大的，而反應(yīng)界面上的水蒸汽濃度是降低的；（7）從電極內(nèi)的速度導(dǎo)數(shù)分布，得出電極內(nèi)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(nèi)采用Darcy方程進(jìn)行近似計(jì)

5、算提供理論依據(jù)。 其次，針對(duì)直流道PEMFC的陽(yáng)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(nèi)的流動(dòng)和傳質(zhì)過(guò)程。模擬了沿流動(dòng)方向上的物質(zhì)變化情況。討論了進(jìn)口速度、進(jìn)口氫氣含量和催化層厚度對(duì)質(zhì)量傳輸?shù)挠绊憽＝Y(jié)果表明：（1）速度在氣體流道內(nèi)呈拋物線分布，而在多孔介質(zhì)層迅速下降，幾乎變?yōu)榱悖唬?）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(kuò)散層相接的界面，并且該界面上的速度非零；（3）增大進(jìn)口速度、增加進(jìn)口氫氣含量、