论文部分内容阅读
质子交换膜(PEM)燃料电池由于其清洁、安全、效率高、可持续性和环境友好等特点将成为未来的主要能源之一。目前，通过试验的方式获取电池内部的压力、物质浓度及电流密度的分布等非常困难。因此，采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)和试验相结合的方法对PEM燃料电池内部的传递现象进行研究，对其流场进行数值模拟，优化流场结构，无论是工程上还是学术上都有重要的意义。 本文以PEM燃料电池为研究对象，采用理论分析和数值模拟技术并结合试验，研究PEM燃料电池的进气方向、流道形式和结构参数对PEM燃料电池的性能影响。主要工作和结论如下: (1)全面考虑了PEM燃料电池中的物理量的传递现象，基于PEM燃料电池的电化学反应理论建立了PEM燃料电池数学模型。同时，基于ANSYS Fluent软件，建立了包括质子交换膜、阴极阳极的催化剂、气体扩散层、流场板和流道在内完整的PEM燃料电池三维数值计算模型。 (2)基于所建立的数值模型，采用CFD方法模拟计算了在相同几何情况下四种不同进气方式（即模型A、B、C和D）下PEM燃料电池的电化学性能。模拟结果表明，在小电流密度(电流密度小于500mA/cm2)情况下，四种模型计算得到的电化学性能一致;当电流密度大于500mA/cm2，模型A和模型B计算得到的功率密度一致，模型C和模型D计算得到的功率密度一致，但模型C（或模型D）计算得到的功率密度高于模型A（或模型B）计算得到的功率密度。 (3)模拟计算了四种模型情况下阴极气体扩散层和催化剂之间的氧气浓度大小及分布，结果表明模型C（或模型D）计算得到氧气浓度分布较模型A（或模型B）均匀且平均氧气浓度较高。 (4)模拟计算了四种模型情况下阴极气体扩散层和催化剂之间的电流密度分布，结果表明，模型B电流密度分布的均匀性较模型C的差。 (5)试验研究了两种模型（模型B和模型C）情况下PEM燃料电池的电化学性能，得到了该两种情况下电压-电流密度曲线和功率密度-电流密度曲线。试验结果表明，模型C情况下的PEM燃料电池的电化学性能优于模型B情况下的电化学性能。同时，将试验得到的电压-电流密度曲线以及功率密度-电流密度曲线与数值模拟的结果进行比较，结果表明数值模拟结果与试验结果相吻合。这结果验证了数值模拟的可行性和精确性。 (6)基于数值模拟技术，研究了7种流场下PEM燃料电池的电化学性能。模拟结果表明，在电流密度小于500mA/cm2时，7种流场情况下PEM燃料电池具有一致的电化学性能;当电流密度大于500mA/cm2时，单蛇形流道流场的PEM燃料电池的电化学性能较好，直流道流场得到的PEM燃料电池电化学性能最差。 (7)数值模拟了在电池电压为0.45V条件下阴极扩散层与催化层界面的电流密度大小及分布，结果表明，单蛇形流道流场具有最大的平均电流密度，但电流密度分布均匀性较差;5流道蛇形流场得到的平均电流密度比单蛇形流道的平均电流密度要低，但具有最好的电流密度分布。 (8)催化层与扩散层交界面的氧气浓度沿着进口流到出口逐渐变小，氧气摩尔浓度在流道脊下明显低于流道下的氧气摩尔浓度。在催化层与扩散层交界面，平行直流道具有较好的摩尔浓度分布，而单蛇形流道在催化层与扩散层交界面的摩尔浓度分布均匀性较差。 (9)基于正交试验方法，分别以燃料电池平均电流密度、氢气利用率最大和压力降为优化目标，研究了流场截面尺寸对燃料电池平均电流密度、氢气利用率和压力降的影响。结果表明:当流道长度L=45mm，流道高度A=0.4mm，流道宽度B=0.6mm和脊部宽度C=0.6mm时燃料电池平均电流密度达到最大;当流道长度L=55mm，流道高度A=0.4mm、流道宽度B=0.6mm和脊部宽度C=1.2mm时，氢气的利用率最大;当流道长度L=55mm，流道高度A=0.4mm、流道宽度B=0.6mm和脊部宽度C=1.2mm时，压力降最大。 (10)通过减小五流道的流道截面面积和在流道内部分别添加一、二、三、五个挡板来对比压力的变化。结果表明增设挡板能够加大流道内燃料压力，且在每个流道都增设挡板的时候能够有效使得在流道尾部的气体压力增大，获得较大的平均气压。电池扩散层受到气体对流效应影响的区域增大，提高了气体的传输效率，同时在对流剪切力作用下还能够有效地移除液态水移，提高电池性能。