质子交换膜燃料电池水热管理系统模拟研究

质子交换膜燃料电池具有如下优点:其发电过程不涉及氢氧燃烧,因而不受卡诺循环的限制,能量转换率高;发电时不产生污染,发电单元模块化,可靠性高,组装和维修都很方便,工作时也没有噪音。所以,质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的绿色环保电源。 本文使用计算机模拟的方法来分析质子交换膜燃料电池的水热管理,使用了计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行计算。分别建立了直流道质子交换膜燃料电池和带冷却通道的直流道质子交换膜燃料电池模型进行分析。 对直流道质子交换膜燃料电池进行了模拟计算,得出工作电压越低,电流密度越大,电池内部温度越高,温差越大,质子交换膜越容易脱水,电池的工作可靠性越差,工作电压越高,电流密度越小,电池内部温度越低,温差越小,质子交换膜越不易干涸,电池的工作可靠性越强。 在此基础上,探讨了加湿程度和孔隙率对燃料电池的性能及温度分布的影响,结果表明不加湿时电池前半段膜内水的摩尔浓度太低,膜脱水严重,膜容易破裂致使H2、O2混合,甚至会发生爆炸。阴极加湿水的质量分数为0.3,阳极加湿水质量分数为0.3时,整个电池膜内水的摩尔浓度都在比较合理的水平,膜的含水量适中,此时膜的润湿状况良好,电池内水平衡处于最佳状态。膜内温度分布比较均匀,膜内水含量增加,其内阻减小,膜的导电性增强,化学反应加剧,电池性能增强。改变孔隙率对膜内温度分布的影响非常小,膜内温差很小,说明孔隙率的大小不是影响电池内部温度变化的主要原因。 建立了带冷却通道的直流道质子交换膜燃料电池的模型,冷却水流速为0.1m/s时,沿流道方向膜中心温度最高,冷却水流速为2m/s时,沿流道方向膜中心温度最低。冷却水流速对沿流道方向膜中心温度分布的影响比较小。冷却水温度为10℃时,沿流道方向膜中心温度最低,冷却水温度为60℃时,沿流道方向膜中心温度最高。在冷却水温度为20℃时,既可以达到冷却的目的,又不至于使初段温度过低而降低电化学反应程度。冷却水顺流时沿流道方向膜中心温度比冷却水逆流时稍低,冷却水顺流和逆流对沿流道方向膜中心温度的影响差别不大。