质子交换膜燃料电池热质传递特性三维仿真研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其工作温度低、无污染、比功率大和启动迅速等优点,被认为是一种高效环保的新型理想电源,PEMFC热质传递特性对其水热管理及性能的提升具有重要意义。本文基于CFD软件Fluent平台,对PEMFC传热传质特性进行了仿真研究,探索PEMFC温度、操作压力、进气流量、流道截面形状、加湿程度以及冷却水流速与水温等因素对其性能的影响。 对单流道PEMFC在不同工作电压下的电流密度与膜内温差进行了模拟分析,研究表明PEMFC的电流密度随工作温度、进气流量的升高先改善后有所下降;横贯电极方向膜内阴极一侧温度高于阳极一侧;随着电池工作电压的降低,电流密度增加膜内温度升高;0.8V、0.6V、0.4V时,电流密度分别为92.31mA/cm~2、686.73mA/cm~2、1384.55mA/cm~2;膜内温差为0.18K、1.50K、3.36K。 探讨了不同截面流道PEMFC的输出特性,沿流道进气方向,长圆形截面单流道PEMFC流速与压力最佳,其催化层内气体浓度与膜内含水量均高于梯形截面PEMFC与矩形截面PEMFC。相比较矩形截面单流道PEMFC而言,工作电压0.4V下,长圆型截面PEMFC最大平均电流密度增长5.92%,膜内温差增长6.23%。 对比研究了平行流道和交指型流道PEMFC的性能。交指型流道PEMFC催化层上氧气的浓度比平行直流道PEMFC提高35%,气体分布更为均匀,其输出性能比平行直流道PEMFC提高30%;通过对平行流道PEMFC不同加湿程度下的模拟计算,得出0.6V下RHa≦50%时,电流密度随着RHc的增加而逐渐增大,膜内温差随之增大;RHa为75%和100%时,电流密度随RHc的增加先增大后变小;RHa=100%、RHc=50%时,PEMFC电流密度增至最大值676.16mA/cm~2;对比三种加湿方案,采用加湿方案三PEMFC平均电流密度比方案一增长为10.02%,PEMFC输出性能与膜内含水量较高。 建立并模拟计算了带冷却通道的交指型流道PEMFC。数据显示随着冷却水流速的增大,其出口平均温度随之降低,热交换量逐渐增大;冷却水流速为4m/s、4.5m/s和5m/s时,热交换量分别为47.90W、49.69W和50.74W;降低冷却水的温度,提高冷却水的换热量的同时膜内温差增大。冷却水逆流时的换热量大于顺流时的情形,但膜内温差增大了1.26K。