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《高溫pem 燃料電池的流場結構設計與優(yōu)化》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、高溫?PEM燃料電池的流場結構設計與優(yōu)化????楊?洋，?陳壁峰，?肖金生，?張海寧，?潘?牧????(1.武漢理工大學?汽車工程學院，湖北?武漢?430070；????2.武漢理工大學?材料復合新技術國家重點實驗室，湖北?武漢?430070)????摘要：基于?500?W?高溫?PEM?燃料電池堆，主要從流道級別和流場級別，通過理論計算提出了單電池的基準方案，運用計算流體動力學軟件?Fluent?模擬了單電池的性能。在此方案基礎上考慮不同流道結構參數的影響，提出了三個優(yōu)化方案，并對其進行了比較。結果表明，常溫燃料電池設計準則難于應用于高溫燃料電池，對于?95?℃的質子交換
2、膜燃料電池，采用流道寬度?1?mm，岸寬?1?mm，流道高度?0.4?mm?的平行直流道時電池性能最佳。????關鍵詞：高溫?PEM?膜燃料電池；流場；設計；優(yōu)化????中圖分類號：TM?911???文獻標識碼：A???文章編號：1002-?087?X(2011)04-?0476-?04????傳統的質子交換膜燃料電池一般是低溫燃料電池，對于氣體的濕度和冷卻系統的要求相對較高，相比而言，高溫質子交換膜燃料電池簡化了質子交換膜燃料電池的水管理和熱管理，因此高溫質子交換膜燃料電池的研究近年來受到了廣泛關注。然而對于流道結構的模擬研究工作主要集中在常溫燃料電池上，其中，Y.M.?
3、Ferng等人模擬了平行直流道和單蛇形流道，主要考慮的是流道的深度對電池性能的影響。D.H.Ahmed等人模擬了三種不同截面的流道，包括矩形、梯形和四邊形，在相同操作條件下矩形截面的流道性能最好。S.Shimpalee等人模擬了相同流道面積條件下不同流道的數目對于電池傳質的影響。J.?Scholta等人模擬了平行直流道不同流道寬度和岸寬對燃料電池性能的影響，結果表明流道的最佳尺寸是流道寬和岸寬都在?0.7?mm?到?1?mm?時電池性能最好。X.D.?Wang等人主要考慮了流道深度和寬度對電池性能的影響。Y.Y.?Duan等人模擬了單蛇和三通道多蛇流道截面不同長寬比條件下的
4、電池性能。國內外對于高溫燃料電池的流道設計的數值模擬研究較少。本文在前述常溫燃料電池流道優(yōu)化設計的基礎上，針對本課題組研制的?500?W?高溫燃料電池的流場進行模擬與優(yōu)化。????1?數學模型????PEM?燃料電池內部包含多孔介質中的氣體擴散、水的傳遞以及催化層中的電化學反應，它們同時存在并且相互影響，其內部主要的控制方程包括氣體在多孔介質中的質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、電化學方程和電流守恒方程，分別表示如下：?????????????2?模型參數????選用的三種單電池模型結構如圖?1?所示，其中，電池的活化面積均為?25?cm2，邊長為?5
5、?cm×5?cm，電池的陰陽極流道截面均為矩形，集流板的厚度為?0.4?mm，氣體擴散層厚度為0.2?mm，催化層厚度為?0.01?mm，膜的厚度為?0.03?mm。????????主要研究的是?95?℃條件下?PEM?燃料電池流場的優(yōu)化設計，其中，操作壓力為?1.5×105Pa，出口背壓為?0，操作溫度為95?℃，空氣?/?氫氣溫度均為?95?℃，陰陽極過量系數分別為?2和?1.5，陰陽極加濕度均為?100%，開路電壓為?1.05?V。電池模擬的物性參數如表?1?所示。????????3?結果及分析????為了確定流道的具體尺寸，即流道的高度，寬度以及岸的寬度。首先對進氣
6、量和進氣壓力損失進行理論計算，然后建立單電池基準模型，最后基于此模型進行流道的優(yōu)化設計。以下關于流道和流場的分析都是在電流密度為?1?A/cm2條件下進行的。????3.1?不同流場結構的比較????流道的具體尺寸是根據進氣量和進氣壓力損失的值進行判斷和確定的，再在此理論值基礎上進行建模和計算分析。????3.1.1?反應氣壓力損失計算????由燃料電池的工作原理及法拉第第一定律可推出陽極和陰極的進氣量為：?????????????????中水含量越來越高，氧氣摩爾濃度越來越低；流道下方的水含量比岸下少，岸下的氧氣摩爾濃度比流道下少。但是平行流場的水含量、氧氣摩爾濃度的分布
7、最均勻，這有利于流場中氣體電化學反應的均勻性，從而提高電池的性能。????圖?6?為輸出電壓為?0.5?V?時陰極催化層?-?擴散層交界面的電流密度分布圖。在此條件下三種流場的平均電流密度分別為?1.28、0.84、0.84?A/cm2，由此可見，平行流場的平均電流密度強度明顯優(yōu)于另外兩種流場；從電流密度的分布來看，三種流場都比較均勻。并且由表?2?可以看出，無論從膜中水含量、陰極催化層?-?擴散層界面的平均氧氣濃度還是相同電流密度條件下的輸出電壓的比較來看，都是平行流場最好，多蛇形Ⅱ其次，多蛇形Ⅰ最差。?????
