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1、第33卷第8期可再生能源Vol.33No.82015年8月RenewableEnergyResourcesAug.2015HT-PEM燃料電池組合流場的性能模擬1121陳士忠，夏忠賢，張旭陽，吳玉厚（1.沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110168；2.邁阿密大學(xué)工程學(xué)院，佛羅里達(dá)州邁阿密33101）摘要：為了研究流場結(jié)構(gòu)對HT-PEM燃料電池性能的影響，運(yùn)用多物理場直接耦合分析軟件（COMSOLMul-tiphysics），對由兩種流道組合而成的4種流場（兩種單一流場與兩種混合流場）的HT-PEM燃料電池進(jìn)行了數(shù)值模擬。在相同的操作條件下，得到了4種組合流場的極化曲線、陰極
2、氧氣濃度變化及陰極流道中心壓力變化情況。對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和比較得出：陰極氧氣濃度和陰極流道中心壓力均沿著氣體流動方向逐漸降低，其變化主要發(fā)生在流道的拐角處及漸變處；綜合考慮輸出電流密度、氣體傳質(zhì)及氣體在電極各處分配的均勻性等因素，蛇形漸變流場的整體性能最好，陽極普通蛇形流場/陰極蛇形漸變流場組成的混合流場其次，普通蛇形流場再次，陽極蛇形漸變流場/陰極普通蛇形流場組成的混合流場最差。模擬結(jié)果對HT-PEM燃料電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：HT-PEM燃料電池；COMSOL；極化曲線；氧氣濃度；壓力變化中圖分類號：TK6；TM911.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1
3、671-5292（2015）08-1245-07DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.08.021[7]0引言新型流場等對電池性能的影響；周孝鋒對質(zhì)子燃料電池（FuelCell）是一種將存儲于燃料與交換膜燃料電池進(jìn)行了三維多物理場建模，模擬氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝了PEMFC膜電極陰極側(cè)的工作狀態(tài)，分析了膜[1]置，是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電及核電之后的新一電極陰極側(cè)的壓力分布、氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布及電[8]代發(fā)電技術(shù)。燃料電池結(jié)合了內(nèi)燃機(jī)和電池的諸流密度分布等；陳濤在三維質(zhì)子交換膜燃料電[2]多優(yōu)點(diǎn)。其中，質(zhì)子交換膜（ProtonExc
4、hange池模型中，模擬分析了4種不同結(jié)構(gòu)蛇形流場的Membrane,PEM）燃料電池因其不受卡諾循環(huán)限速度、膜中水含量及功率密度等，對流場的結(jié)構(gòu)及[9]制、能量轉(zhuǎn)化效率高、可靠性高、噪音小、可低溫啟參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)方面，孫紅通過實(shí)驗(yàn)研[3]動及無污染等優(yōu)點(diǎn)已成為發(fā)展最快的一類燃料究了電池加熱溫度、加濕溫度及反應(yīng)氣體流量對電池。特別是在注重改善能源匱乏、環(huán)境污染和可PEM燃料電池性能的影響，并通過優(yōu)化操作參數(shù)[10]持續(xù)發(fā)展的今天，質(zhì)子交換膜燃料電池表現(xiàn)出了提高了PEM燃料電池的性能；吳玉厚運(yùn)用燃料[4]更多的發(fā)展機(jī)遇。電池測試系統(tǒng)研究了操作參數(shù)對交指流場和蛇形由燃料電池
5、的工作原理可知，流場板作為質(zhì)流場PEM燃料電池性能的影響，得出在歐姆極化[5]子交換膜燃料電池的關(guān)鍵組件之一，其質(zhì)量占區(qū)蛇形流場性能優(yōu)于交指流場，而在濃差極化區(qū)[11]整個電堆的60%～80%，成本則占總成本的40%～交指流場性能優(yōu)于蛇形流場；譚雅巍對質(zhì)子交60%，而且流場結(jié)構(gòu)直接影響電池各部分能否獲換膜燃料電池的極化曲線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定，研究得充足的反應(yīng)氣體及反應(yīng)產(chǎn)物能否及時(shí)排出等，了不同流場結(jié)構(gòu)、流道深度和寬度對電池性能的進(jìn)而影響電池的整體性能。所以，研究合理的流場影響，發(fā)現(xiàn)采用組合流場的電池性能最佳。本文在結(jié)構(gòu)對于燃料電池性能的提高十分重要，從而備上述研究基礎(chǔ)上，采用由兩種
6、不同結(jié)構(gòu)的蛇形流受各國科學(xué)工作者的關(guān)注。場板組合而成的4種不同流場的HT-PEM燃料[6]在模擬方面，熊濟(jì)時(shí)通過計(jì)算流體軟件Flu-電池模型，在相同的操作條件下，利用多物理場直ent模擬了流道截面形狀、結(jié)構(gòu)尺寸及自主設(shè)計(jì)的接耦合分析軟件COMSOLMultiphysics進(jìn)行模擬收稿日期：2014-12-15。基金項(xiàng)目：遼寧省博士啟動基金項(xiàng)目（20121050）；遼寧省教育項(xiàng)目（LJQ201205）；沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目（F12-277-1-30）。作者簡介：陳士忠（1979-），男，黑龍江肇東人，副教授，博士后，主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)和建筑機(jī)械技術(shù)研究工作。通訊作者：夏
7、忠賢（1990-），男，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研究工作。E-mail：xiazx4416@163.com·1245·可再生能源2015，33（8）分析[12]，比較了不同組合流場之間的性能差異。表1參數(shù)表Table1Parameterlist1模型的建立參數(shù)名稱表示符號數(shù)值1.1物理模型的建立電池長度L0.026m圖1為模擬中所用到的兩種流道的結(jié)構(gòu)示意流道高度H_ch1e-3m圖。利用這兩種流道可以得到4種流場：①陽極普流道寬度W_ch1e-3m通四流道蛇形流
