质子交换膜燃料电池内的流动和传质过程的数值分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、工作温度低、启动快、环境友好、设计操作简单等优点,最有希望成为航天、军事、电动车、移动通信及区域性电站的首选电源。因此,其应用前景十分广阔,市场潜力巨大,是燃料电池研究中的热点。鉴于,目前通过实验手段获得电池内部的温度、压力、物质浓度及电流密度的详细分布比较困难,而且费用很高。因此,对PEMFC 内的流动和传质过程的数值模拟研究,具有重要的工程意义与学术意义。 本文采用通用的Darcy 定律描述多孔介质与非多孔介质区域的动量守恒,分别对交叉梳状流道质子交换膜燃料电池的阴极和直流道质子交换膜燃料电池的阳极进行了详细的数值模拟研究。首次给出了电池内的速度导数分布,得出了一些新的结论。为电极结构的优化、流场的选择、操作条件的筛选提供指导,为对PEMFC进一步的深入研究奠定基础。 首先,针对交叉梳状流道PEMFC 的阴极,建立了二维的、稳态的、多组分传输模型,用于研究电极内的流动和传质过程。得到了电极内的压力、速度及速度导数、物质质量分数及电流密度的详细分布。讨论了操作条件(进、出口之间压差、进口氧气质量分数)和电极结构参数(电极厚度、电极肋条宽度、电极孔隙率、流道个数)的变化对电池性能的影响。结果表明:(1)随着进、出口之间压差的增加,电流密度是增大的,但是增大的幅度是逐渐降低的;大的压差,意味着更多的动力被消耗,所以压差存在一个最佳值;(2)随着进口氧气质量分数的增加,局部电流密度是增大的,但是其分布趋于不均匀,而平均电流密度随着进口氧气质量分数的增大呈线性变化;(3)电极厚度存在一个最优值,该值依赖于电极结构和气体分配器的设计参数;(4)采用窄的电极肋条有利于提高电池的性能;(5)综合考虑,电极孔隙率选在0.4 左右为宜;(6)随着流道个数的增加,进口速度与电极内的速度、反应界面上的氧气浓度、局部电流密度都是增大的,而反应界面上的水蒸汽浓度是降低的;(7)从电极内的速度导数分布,得出电极内的速度梯度小,可以忽略多孔电极区域的惯性力,为在多孔电极内采用Darcy 方程进行近似计算提供理论依据。 其次,针对直流道PEMFC 的阳极,建立了二维的、稳态的、多组分传输模型,用于研究电池内的流动和传质过程。模拟了沿流动方向上的物质变化情况。讨论了进口速度、进口氢气含量和催化层厚度对质量传输的影响。结果表明:(1)速度在气体流道内呈抛物线分布,而在多孔介质层迅速下降,几乎变为零;(2)速度的最大值并不在流道的正中间,而是偏向流道与多孔扩散层相接的界面,并且