质子交换膜燃料电池中温度分布的模拟

质子交换膜燃料电池(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)能量转换效率高,环境友好,可室温快速启动,已成为燃料电池研究中的主流。PEMFC内温度分布对于水管理,传热传质都有着重要影响,这方面的研究也越来越受到重视。本文主要使用计算机模拟的方法来分析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。 首先分析了PEMFC的热源,指出电池内热量一部分是由电化学反应直接或间接产生,另一部分与电化学反应无关由气体加湿或冷却水带走。阐述了模拟工作中用到的相关数学模型。分析了目前直接测量电池温度分布的实验方法,将模拟结果与实验结果进行了对比,验证了模拟的有效性。 探讨了不同的操作条件和电池参数对电池内温度分布的影响,结果表明气体的相对湿度越高,膜的温差越大,膜上最高温度的位置随加湿程度的变化而变化,加湿程度高时最高温位置靠近进口,加湿程度低时最高温位置靠近出口;过高的气体压力会在电池局部产生很高的温度;阳极气体过量系数对温度分布的影响因素大于阴极气体过量系数的影响;扩散层导热系数对电池内温度分布的影响是巨大的,导热系数为0.3 W/(m·K)时,温差多达20K,而导热系数为19W/(m·K)时,电池内温度为恒温的。 探讨了冷却介质的加入对电池内温度分布的影响,结果表明简单直型冷却槽的冷却效果不太好;低电流密度下不加冷却水比加冷却水效果好;高电流密度下,加入与反应气体同向的冷却水效果好;冷却水的流速和温度的改变对冷却效果的影响比较小。