HT-PEM燃料电池流场传质分析

随着二十世纪人类文明的进步以及科学的飞速发展,地球资源的消耗与环境污染问题已经成为制约二十一世纪地球发所展亟待解决的问题。人类若想长久的赖以生存在地球上,必须探索发现更为节能环保的新型能源。质子交换膜燃料电池具有高能效、适用性强、无污染等特点,已经在便携式电源和电动汽车等领域中得到了广泛使用。温度是质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作的重要因素,燃料电池的性能随着温度的增大而提高。但是由于质子膜、催化剂等材料的特殊要求,目前国际上应用的PEMFC一般工作在低温环境中(80℃以下),对于100℃以上的高温质子交换膜燃料电池也有一定的研究。高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的工作温度范围达到120-180℃,解决了液态水管理、电化学反应活性,对CO的容忍性、热量利用率等方面难题;但同时也对材料特性、流场设计等方面提出了新的要求。为了更深入的了解高温质子交换膜燃料电池的工作特性,本文主要进行了下列研究工作:一.介绍了燃料电池的历史背景和发展现状,叙述了燃料电池内部组成结构及其作用等方面内容,分析了高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的优点及目前的研究现状;二.建立高温燃料电池模拟中的基本数学模型,主要包括流体力学基本控制方程、电化学反应方程以及气体扩散层方程等理论知识;三.采用流体分析软件建立直通道流场结构的单电池三维模型,研究气体扩散层多孔介质渗透率对HT-PEMFC性能的影响,以优化燃料电池的结构参数,提高电池总体性能。工作选取电压为0.4V的条件下,对气体扩散层渗透率分别为1.18×10-12m2、1.18×10-11m2、1.18×10-10m2以及1.18×10-9m2的HT-PEM燃料电池进行数值模拟和结果分析。该参数在一定范围内存在一个最优值,模拟结果得出了流道内沿流道方向的阴极压力变化、电池电流密度以及阴极水浓度分布情况。分析表明随着渗透率增大,能有效降低电池阴极流道内的压力降,进而改善电池内部传质、降低额外的功耗,提高电池电流密度以及增强阴极的排水能力。模拟结果对质子交换膜燃料电池结构的优化和设计具有重要的指导意义;四.基于理论知识与仿真分析相结合的结果,建立两种不同结构尺寸的多流道蛇形流场单电池模型,并对其模拟分析。在气体扩散层渗透率取不同值的情况下分析比较燃料电池的性能。因为流道结构形式对电池性能具有重要影响,所以从不同流道结构的单电池模拟数据结果来看,阴极流场采用四蛇形流道时,电池的性能明显好于采用4-流道渐变式蛇形流道时的情况。综合考虑模拟计算结果,对于高温燃料电池而言,流场形式最好采用四蛇形流道。