质子交换膜燃料电池多物理场数值模拟研究

质子交换膜燃料电池具备的能量转换效率高、对环境友好的特点,这一新型能源已经被认为是未来社会不可缺少的资源之一。质子交换膜燃料电池独有的结构特性和大量的热能释放可作为发电厂和热电厂能量,这使其成为人们研究的必然热点。为了解决燃料电池在伴随电化学反应的过程中产生的热量等问题,本文在电池热管理方面进行深入的研究。首要的是分析出热能的产生和燃料电池内部温度的影响因素。温度是质子交换膜燃料电池热管理研究的重要参数,过低的温度会导致电池的性能下降,而高温则会影响燃料电池膜失水而破坏电池结构,电池也将无法正常运行。本文采用软件COMSOL Multiphysics对燃料电池进行模拟,建立二维、三维管理系统及传热元件传热计算模块,分别对数学和物理模型进行描述,通过质子交换膜燃料电池气-液-固耦合传热机理,涉及到的流动、传热与化学反应工程仿真,结合质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程,揭示燃料电池内温度场分布形态的本质特性、空冷型电池的温度变化和冷却液冷却燃料电池内部冷却通道流动状态及与温度的影响因素。PEMFC研究的具体结果如下:(1)在二维质子交换膜模型进行温度场数值模拟研究,分析温度变化的有关参数,从而提高质子交换膜燃料电池使用效率。由于燃料电池的氢离子透过膜到达阴极与氧气发生氧化反应,这时就会有大量的热量产生,这样就使得阴极处的温度要高于阳极处的温度。同时改变工作电压、电池孔隙率、交换电流密度参数的范围,均能有效的提高质子交换膜燃料电池的工作性能,使得质子交换膜燃料电池高效利用。(2)空冷型冷却的方式对维持电池的温度有显著的作用。在自然冷却时,建立三维数值模拟模型,通过控制因素的变化使电池保持在最佳工作温度范围内。而自然冷却的温度控制、电池外部传热的能力都具有良好的动态特性,有效地解决了自然冷却PEMFC电池的温度控制问题。在利用强制对流冷却时,采取电、化、热能耦合,控制风速、风温的变化对燃料电池内部的温度有着不同的作用结果。合理的改变参数值,使得电池在最佳的工作温度范围内,达到高效运行的目的。(3)本文首次采用多物理场软件建立微小型质子交换膜燃料电池的物理、数学模型耦合,分析出了质子交换膜燃料电池冷却液散热时冷却液温度、流速、流动方向对电池温度的特性影响。建立微小通道模冷却水的流动过程,对内部流场进行仿真,采取有限元法进行数值模拟,得出质子交换膜燃料电池的热模拟和热管理对电池的性能优化和耐久性的提高具有重要意义。