质子交换膜燃料电池输出性能的数值模拟.doc

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1、质子交换膜燃料电池输出性能的数值模拟摘要：运用COMSOL软件模拟分析3种流道下的质子交换膜燃料电池输出性能。在相同的操作条件下，比较了单蛇形流道、交指流道以及混合流道之间的性能差异，详细说明了3种流道下质子交换膜燃料电池输出性能差异的原因。由模拟结果分析得出，混合流道输出性能最好，交指流道输出性能其次，单蛇形流道输出性能最差；混合流道的排水能力最好，氧气浓度分布的最均匀；混合流道阴极进出口氧气浓度差最小。模拟结果对质子交换膜燃料电池结构的优化和设计具有一定的指导意义。质子交换膜燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，是新能源领域中具发展前景的一项技术1

2、-3。流场板是燃料电池的关键组件之一，其结构是提高催化剂利用效率的关键，为提高燃料电池的输出性能，设计和优化流场板的结构是有必要的4-5。合理的流场板设计能更好的分配反应物，防止“水淹”现象发生6。Dawes等7建立三维模型来模拟“水淹”现象对电池输出性能的影响。Yazdi等8建立了单电池三维模型，主要模拟流道和气体扩散层内的传质，催化层内的电化学反应和质子交换膜内的质子传递，通过改变运行条件预测燃料电池的输出性能。Ghanbarian等9建立了平行流场的三维模型，在平行流道内设置半圆形、正方形和梯形为阻碍模块，发现设置有阻碍模块的流场可以提高燃料电池输出性能。Hao等10构建了三维燃料电池模

3、型，研究水在催化剂层中运输阻力。Li等11建立了三维燃料电池模型，研究了电流密度、膜内水含量以及质子交换膜局部温度。陈涛等12在三维质子交换膜燃料电池模型中，模拟研究了4种不同结构蛇形流道的速度、膜中水含量以及电池功率密度，并对流场的结构进行了优化。目前，关于流产板的研究基本都围绕着气体分布、流场板结构以及排水能力，但当前所存在的流场板大多都有气体分布不均、“水淹”等问题，为了降低上述问题对燃料电池输出性能的影响。本文建立一种新型流场板，通过COMSOL模拟分析软件，分别对单蛇形流道、交指流道以及新型流道的输出性能进行研究，模拟结果为当前与流场板相关的科研课题提供了一定的指导意义。1几何模型图

4、1为3种流道二维模型结构示意图。燃料电池单体由阳极流道、阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层以及阴极流道7个部分组成。本文以有效反应面积为3.61cm2、高为2.96mm的燃料电池单体进行模拟研究。利用多物理场直接耦合分析软件COM-SOL Multiphysics中的PEM燃料电池模块来进行求解分析。在模拟分析中，3种模型的气体流动方向如图1中箭头所指方向流动。表1中的数据为质子交换膜燃料电池模型的体积尺寸和网格单元个数，表2中的数据为模拟参数。1.1模型假设反应气体为氢气和理想空气；反应气体在流道中的流道均为层流；反应气体不会渗透过质子交换膜；多孔介质整体各向

5、同性且均匀；电化学反应在催化层表面进行；燃料电池内部运行条件为稳态。2数学模型3结果与讨论3.1氧气浓度分布在相同的模拟条件下，3种方案PEMFC单体阴极流道内氧气浓度变化趋势如图2所示。其阴极流道氧气浓度取值面是沿着电池厚度方向，取电池电压为0。65V时阴极流道的中间界面。分析图2可知，每幅小图的右边都有对应色彩值，色彩值越大颜色越淡，反之越深。色彩值的大小代表反应阴极流道中的氧气含量，当色彩越淡时氧气含量越多，反之越少。由图2可知，氧气含量最多的是混合流道，氧气浓度差值为7.30molm-3。其次是交指流道，氧气浓度差值为8.20molm-3。氧气含量最少的是单蛇形流道，氧气浓度差值为8.

6、24molm-3。氧气浓度差值的含义是流道中氧气含量最大值与最小值之差，其大小可以反映出氧气在流道中分布的均匀状况。即方案C混合流道中氧气分布最为均匀，其次是方案B交指流道，最差的是方案A单蛇形流道。3.2进出口氧气浓度差在相同的实验模拟条件下，由图3可知，方案A单蛇形流道进出口氧气浓度差值最大，其次是方案B交指流道，方案C混合流道进出口氧气浓度差值最小。从图2中的结果可知，混合流道中氧气浓度分布最均匀，其次是交指流道中的氧气浓度分布，最差的是单蛇形流道中的氧气浓度分布。当氧气浓度分布均匀时，会降低浓差极化的影响，进而提高PEMFC输出性能。所以浓度差值越小时，氧气浓度分布越均匀，单电池输出性

7、能越好。3.3阴极水浓度分布在相同的模拟条件下，3种方案PEMFC单体阴极流道内水浓度变化趋势如图4所示。其阴极水浓度取值面是沿着流道厚度方向，取电池电压为0.65V时阴极流道的中间界面。由图4结果分析可知，在每幅小图的右边都有色彩值，其颜色越浅色彩值越大，反之色彩值越小。其中方案A单蛇形流道浅色面积最大，水浓度差值为13.35molm-3。其次是方案B交指流道，水浓度差值为13.35molm-3。方案C混合流道中浅色面积最小，水浓度差值为11.95molm-3。由水浓度的差值可知，混合流道的排水能力要强于方案A、B。相对方案A、B来说，方案C不易发生“水淹”现象。这是由于，方案C混合流道是由

8、单蛇形流道和交指流道组合构成，由图2可知，交指流道的氧气分布要优于单蛇形流道，而单蛇形流道有较强的排水能力。混合流道是结合两者的优点，实现氧气均匀分布和较强排水能力。3.4伏安特性曲线在气体压强为1个大气压以及气体流量相同的条件下。对3种不同流场(单蛇形流道、交指流道、混合流道)的单电池进行模拟研究，其3种单电池的伏安特性曲线见图5。伏安特性曲线中有3种极化现象，分别为活化极化、欧姆极化以及浓差极化。随着电流密度的增加，3种单体电池电压都处于下降的趋势。其中方案C的下降趋势最为缓和，而方案A的下降趋势最为陡峭。在电池电压为0.6V时，方案A和方案B在电流密度增至1Acm-2后停止增加。而方案C

9、在电池电压为0.6V时，电流密度可以增至2.1Acm-2。这是由于方案C中的混合流道可以使气体更加均匀地分布在流道内，降低浓差极化对燃料电池输出性能的影响，推迟了电流密度极限值的出现。由图2知，方案B中的交指流道对气体分布的均匀性要高于方案A的单蛇形流道，从而使得方案B中的电流密度极限值大于方案A中的电流密度极限值。当电流密度极限值越大时，燃料电池地输出性能越好。即输出性能最优的是方案C，其次是方案B，最差的是方案A。3.5阳极催化层与交换膜交界面处温度变化在相同的实验条件下，阳极催化层与质子交换膜交界面处温度变化如图6所示。方案C的极限温度值最大，其次是方案B的极限温度，极限温度值最小的是方

10、案A。这是因为方案C的输出性能最大，当输出性能大时PEMFC单体内发生的电化学反应会加剧。由图2可知，方案C中阴极氧气浓度分布最为均匀，当方案C发生电化学反应时，对H+的需求量将会增大，使得阳极催化层处电化学反应加剧，产生的热量也会增加。方案A在电池电压为0.75V之后产生的温度要小于方案B，是因为在0.75V之后发生浓差极化，使得方案A中的电化学反应受阻，影响方案A的输出性能。4结论本文使用多物理场直接耦合COMSOL分析软件，研究了流场结构对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，得到主要结论如下：1）流场板结构直接影响到燃料电池氧气浓度分布，混合流道中氧气浓度分布最均匀且排水性能最好。2）流场板结构对燃料电池输出性能有着显著影响。其中混合流道的输出性能最优，其次为交指流道，最差为单蛇形流道。3）混合流道的阳极催化层与交换膜交界面处温度最高，发生电化学反应的强度最大。4）单蛇形流道在电池电压为0.75V之后，受到浓差极化的影响，发生电化学反应的强度要低于交指流道和混合流道。13