具有閉塞端陽極質(zhì)子交換膜燃料電池的二維數(shù)值模擬.pdf

1、具有閉塞端陽極的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)有許多優(yōu)點:首先,與常規(guī) PEMFC相比,可以認為電池內(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陽極側(cè)積累的液態(tài)水和陰極側(cè)穿透過來積聚的氮氣是影響它性能的兩個主要因素,故為了達到最優(yōu)的運行性能,就需要對液態(tài)水和氮氣進行合適的管理。
　　水的管理對保證質(zhì)子膜充足的潤濕和催化層不發(fā)生水淹是非常重要的。一方面,需要足夠的水來

2、保持高分子電解質(zhì)充分潤濕,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,過量的液態(tài)水又會導(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。
　　由可視化實驗的研究結(jié)果可知,常有大量的液態(tài)水積聚在電池通道內(nèi),進而造成通道的堵塞,而具有閉塞端陽極的燃料電池陽極通道內(nèi)這一現(xiàn)象則更加嚴重。當陽極通道內(nèi)聚集大量液態(tài)水時,氫氣難以擴散到電池后半段,從而導(dǎo)致局部燃料缺乏,進而具有閉塞端陽極的

3、燃料電池性能也隨之顯著下降。水淹問題是影響電池可持續(xù)運行的重要因素,而現(xiàn)有的模型基本沒有考慮陽極通道內(nèi)的水淹問題。在大部分模型的計算結(jié)果中,液態(tài)水的飽和度比實驗測試結(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,則會嚴重低估通道內(nèi)液態(tài)水的飽和度。具有閉塞端陽極的燃料電池陽極入口采

4、用的是壓力入口,其氣體流速非常低,對于這種類型的電池,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),然后再運用多孔介質(zhì)中的兩相傳輸理論來模擬流道內(nèi)的兩相傳輸。與以前的兩相模型相比,該模型已經(jīng)能夠反映出陽極通道內(nèi)的水淹現(xiàn)象和通道水淹對氫氣傳輸?shù)娘@著影響。計算結(jié)果表明:沿著流道方向,液態(tài)水飽和度在不

5、斷增加,在流道末端達到最大值,同時發(fā)現(xiàn)陽極側(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氣穿透現(xiàn)象,并建立了氮氣的控制方程。對于具有閉塞端的燃料電池陽極側(cè)氮氣積聚這個問題,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極側(cè)和陰極側(cè)分別建立了不同的控制方程,但沒有建立一套用于整個計算區(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,在處理氮氣積聚問題時,現(xiàn)有的CFD