质子交换膜燃料电池堆的热模拟及优化

质子交换膜燃料电池作为一种新型的能源处理方式，具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速等优点，已经成为能源领域研究的热点之一。但由于质子交换膜燃料电池内部约有40％～50％的能量耗散为热能，致使电池温度上升，电解质膜脱水、收缩甚至破裂。因此，电池的冷却对电堆的性能和长期稳定工作，有着重要影响。 本文主要使用计算机模拟的方法来分析燃料电池冷却的问题，使用了计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行模拟计算。首先介绍了燃料电池的结构及工作原理，描述了燃料电池及堆热模拟相关的数学模型。然后详细说明了Fluent PEM模块中的物理模型和数学模型。测试并分析了高性能计算机集群和Fluent PEM模块的并行效率和加速比，指出Fluent PEM模块的并行效率和加速比比HPCC低的原因是由于Fluent PEM模块并行计算时各个节点之间的通讯量过大。 探讨了电池内冷却流道的位置对膜中温度分布的影响，结果表明冷却流道在槽下时比在岸下时的冷却效果要好些，但相差不大。冷却水顺流时膜中温差比逆流是要小。在采用不同的双极板和成型工艺时，可以不专门考虑冷却流道的位置问题。然后模拟计算了冷却水流速和冷却流道截面尺寸对长为300mm的单电池的冷却效果的影响。从计算模拟的结果可以看出，冷却效果随流速增加而增大，但随着流速的增加，冷却水吸热量增加量逐渐变小；冷却水进出口温差随进口温度的增加而减少，随与壁面的接触面积增加而增加；在冷却水流速在0.25～6m／s之间时，冷却水的流速对膜中温度分布的影响很小；此种电池流场设计膜中温差很小，只有约4K左右。 最后计算分析了一个60kW的电堆的热平衡问题，并通过模拟计算验证了计算结果。同时表明冷却水进口温度343.15K时电池性能比冷却水进口温度333.15K时电池性能要好，并且冷却效果能满足要求。同时确定了冷却流道的数量和形状及分布。