质子交换膜燃料电池流场与水热管理研究

随着社会经济飞速发展,能源消费量不断攀升,相应环境问题日趋严峻。为应对上述挑战,人类必须找到清洁高效的能源应用方式以实现转型升级与绿色发展。作为第五代燃料电池,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有绿色高效优点,成为解决环境与能源问题突破点,已引起全球能源领域科研人员关注。经过多年研究,其性能与成本虽已实现较大发展,但某些瓶颈一直制约着其实现商业化,其中电池水热管理水平就是急需提高的关键项之一。由于PEMFC本身特有属性,电池工作过程中反应生成物水与生成热量相互关联影响,而双极板在电池内部起到第一层次分配各反应组分的重要作用,即双极板流场还影响电池内部水与热量的分配。尤其应用于大面积燃料电池时,双极板流场设计是否合理将直接决定电池性能。目前双极板流场研究内容主要集中在流道截面形状与流道结构设计,而前者多以单一几何截面为主,复合截面应用于流道的研究内容较少,故而本文提出多种复合截面方案以探究流道截面形状对电池传热传质以及输出性能的影响。基于半经验模型运用FLUENT 16.0中PEMFC模块进行数值模拟仿真研究。气体流道截面形状对电池伏安特性曲线在高电流密度区域影响更为明显,方案d可获得最佳综合性能。工作电压为0.3V时,方案d中电流密度相较方案a可提高5.23%,在质子交换膜燃料电池实际应用于电堆以提高功率密度时具有积极工程意义。虽方案d中气体流道内压降相对较大,但在系统可接受范围内。气体流道侧壁面倾角与顶部弧形段可使电池内部具有相对较好水质量分数分布,同时方案d在气体流道内可获得较大流速,使得膜电极组件温度分布均匀,同时交换膜处于良好润湿状态,利于膜内质子传输。PEMFC工作过程复杂,当电池系统主体一致时,操作条件对电池性能以及内部温度分布均有重要影响。分析了气体扩散层孔隙率、电流密度、工作温度与操作压力对电池性能的影响。仿真结果表明扩散层孔隙率降低在一定程度上可改善电池内部水分布状态,气体扩散层孔隙率为0.5时,电流密度最大同时交换膜内保持更均匀温度分布。电流密度表征电化学反应速率快慢,电池高电流密度运行导致电池内部温度上升同时温度分布均匀性降低,综合考虑温度分布均匀性与电池输出性能,电池工作电压应在0.45-0.65V之间。同一工作电压条件下,当电池工作温度低于353K时,交换膜最高温度上升幅度低于工作温度增幅,但当工作温度高于353K时,升高工作温度基本带来交换膜最高温度等幅升高。因此,为使交换膜获得较好温度分布与输出性能,电池相对最佳工作温度为353K。操作压力为0.25 Mpa时可明显提高输出性能同时保持交换膜温度分布均匀。