质子交换膜燃料电池的热模拟及软件开发

燃料电池是解决能源短缺及环境污染的一项新能源技术，质子交换膜燃料电池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)具有低噪音、零污染、无腐蚀、寿命长、比功率高、能量效率高、安全稳定等特点而成为二十一世纪的开发热点。PEMFC的热模拟及软件开发是质子交换膜燃料电池研究的重要工作。 本文阐述了PEMFC热模拟相关的数学模型，建立了二维单流道、三维半流道以及三维单流道的PEMFC几何模型，应用于PEMFC热模拟问题的分析和讨论。 利用Fluent软件基本模块中的流动、传质和传热功能，对二维单流道、三维半流道模型进行了热模拟。结果表明，在0.6A／cm~2电流密度条件下，高温区域主要存在于阴极催化层；横贯电极方向，膜电极组件的温度变化小于1K；流道下面位置的温度变化比岸下位置的温度变化更为明显。 应用Fluent软件的PEMFC模块，对三维单流道模型进行了热模拟，其包括了流动、传质、传热、电化学反应、水传递等模型。结果表明PEMFC的主要热源为化学反应热、极化热。热源的分布是不均匀的，化学反应热、活化极化热、浓差极化热集中在催化层，而欧姆热大部分在质子交换膜。PEMFC温度场分布也是不均匀的，电池的最高温度发生在阴极进口段，流道下面位置的温度高于岸下面位置。质子交换膜燃料电池的温度场不均匀程度，随着电流密度的增加而加大，在低电流密度下，温度场可近似认为是均匀的。经过比较，PEMFC模拟的性能曲线与试验测试的曲线基本吻合。 测试和评价了Fluent软件并行性能，结果表明Fluent在高性能计算机集群的硬件条件下具有更好的并行性能，其16个CPU的加速比达到了11。采用Fluent提供的用户自定义方法，进行了二次开发，提高了PEMFC的模拟精度。 PEMFC的热模拟及软件开发是PEMFC模拟研究的两个重要方面，热模拟为PEMFC的热管理、冷却系统设计提供科学依据；软件开发进一步完善了PEMFC模拟软件的相关功能，为PEMFC的研究提供更精确的模拟工具。