具有閉塞端陽(yáng)極質(zhì)子交換膜燃料電池的二維數(shù)值模擬.pdf

1、具有閉塞端陽(yáng)極的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)有許多優(yōu)點(diǎn):首先,與常規(guī) PEMFC相比,可以認(rèn)為電池內(nèi)部所有的氫氣都反應(yīng)完畢;其次,該系統(tǒng)不需要添加氫氣的循環(huán)系統(tǒng)作為額外的輔助設(shè)備。由于具有閉塞端的PEMFC陽(yáng)極側(cè)積累的液態(tài)水和陰極側(cè)穿透過(guò)來(lái)積聚的氮?dú)馐怯绊懰阅艿膬蓚€(gè)主要因素,故為了達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能,就需要對(duì)液態(tài)水和氮?dú)膺M(jìn)行合適的管理。
　　水的管理對(duì)保證質(zhì)子膜充足的潤(rùn)濕和催化層不發(fā)生水淹是非常重要的。一方面,需要足夠的水來(lái)

2、保持高分子電解質(zhì)充分潤(rùn)濕,從而使得電解質(zhì)膜具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率;另一方面,過(guò)量的液態(tài)水又會(huì)導(dǎo)致燃料電池發(fā)生水淹,阻礙內(nèi)部反應(yīng)物的輸送,從而影響電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和耐久性,并最終導(dǎo)致電池性能下降。
　　由可視化實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果可知,常有大量的液態(tài)水積聚在電池通道內(nèi),進(jìn)而造成通道的堵塞,而具有閉塞端陽(yáng)極的燃料電池陽(yáng)極通道內(nèi)這一現(xiàn)象則更加嚴(yán)重。當(dāng)陽(yáng)極通道內(nèi)聚集大量液態(tài)水時(shí),氫氣難以擴(kuò)散到電池后半段,從而導(dǎo)致局部燃料缺乏,進(jìn)而具有閉塞端陽(yáng)極的

3、燃料電池性能也隨之顯著下降。水淹問(wèn)題是影響電池可持續(xù)運(yùn)行的重要因素,而現(xiàn)有的模型基本沒(méi)有考慮陽(yáng)極通道內(nèi)的水淹問(wèn)題。在大部分模型的計(jì)算結(jié)果中,液態(tài)水的飽和度比實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果低很多,其主要原因是在大部分兩相模型中,通道內(nèi)采用的是霧狀流模型(假設(shè)液態(tài)水以霧狀液滴的形式均勻分布于流道中并且和氣相保持相同的流動(dòng)速度)。這種假設(shè)在極高氣體流速情況下才是合適的,若在低氣體流速的情況下,則會(huì)嚴(yán)重低估通道內(nèi)液態(tài)水的飽和度。具有閉塞端陽(yáng)極的燃料電池陽(yáng)極入口采

4、用的是壓力入口,其氣體流速非常低,對(duì)于這種類型的電池,通道內(nèi)采用霧狀流模型顯然是不合適的,這就有必要采用一種新的兩相模型。
　　本文在通道中采用毛細(xì)壓力拓展模型,解釋了通道內(nèi)液體水的析出和積聚的現(xiàn)象。首先假設(shè)氣體通道為一種特殊的多孔介質(zhì),然后再運(yùn)用多孔介質(zhì)中的兩相傳輸理論來(lái)模擬流道內(nèi)的兩相傳輸。與以前的兩相模型相比,該模型已經(jīng)能夠反映出陽(yáng)極通道內(nèi)的水淹現(xiàn)象和通道水淹對(duì)氫氣傳輸?shù)娘@著影響。計(jì)算結(jié)果表明:沿著流道方向,液態(tài)水飽和度在不

5、斷增加,在流道末端達(dá)到最大值,同時(shí)發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極側(cè)流道末端液態(tài)水飽和度的最大值比陰極側(cè)大。
　　本文模型還考慮了氮?dú)獯┩脯F(xiàn)象,并建立了氮?dú)獾目刂品匠?。?duì)于具有閉塞端的燃料電池陽(yáng)極側(cè)氮?dú)夥e聚這個(gè)問(wèn)題,大部分研究采用的是一維模型,小部分采用的是二維模型。一維模型雖然在電池陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)分別建立了不同的控制方程,但沒(méi)有建立一套用于整個(gè)計(jì)算區(qū)域的控制方程,并且一維模型的這種處理方法不能用于CFD二維模型。同時(shí),在處理氮?dú)夥e聚問(wèn)題時(shí),現(xiàn)有的CFD