质子交换膜燃料电池热模拟计算

质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)具有能量转换效率高、工作温度低、无污染、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，如果没有有效的热管理会致使电池温度上升，电解质膜脱水、收缩甚至破裂，另外PEMFC内温度分布对于电池的水管理，传热传质都有着重要影响，这使得电池的热管理的研究越来越受到重视。本文主要使用计算机模拟的方法来分析温度对电池性能的影响及电池内温度分布规律，使用了计算流体力学软件Fluent中的燃料电池模块进行模拟计算。 本文首先分析了PEMFC的热源，指出电池内部热量是由电化学反应和各种极化以及相变产生，说明了在各个极化区温度对极化的影响。阐述了模拟计算工作中用到的相关数学模型。 探讨了不同的操作条件对电池性能及膜温度分布的影响，结果表明：增大气体压力会提高电池性能，与之相伴随的是更多的热量产生，会提高电池内部的温度及温差。随着空气计量比的提高，电池的性能随之提高，并且在空气流量较低时电池性能变化明显，随空气流量的增加膜的最大温度和温差都略有所降低。气体相对湿度对电池性能的影响很大。阳极气体湿度增加，电池性能提高；在小、中电流密度下，阴极气体湿度增加，电池性能提高，而在大电流密度下，阴极气体湿度的增加，电池性能反而下降。进口气体的相对湿度越高，膜的温差越大；阴极和阳极气体加湿度的对膜温差的影响基本一致。 探讨了工作温度、阴极加湿温度和阳极加湿温度对电池性能及温度分布的影响，结果表明：在小电流密度时，工作温度提高使得润湿条件变差，电池性能随之下降。在大电流密度时，电池性能随工作温度的增加而提高，随着工作温度的提高，膜的最高温度以及温差都随之上升。燃料电池的性能随阳极加湿温度的提高而升高，当阴极加湿饱和时，电池性能随阴极加湿温度的提高而降低。随着燃料电池阴极加湿温度和阳极加湿温度的提高，膜中电流密度分布不均匀度提高，膜的温差变大。