車用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的氣場模擬及優(yōu)化.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC：ProtonExchangeMembraneFuelCell)因其具有能量效率高、低噪音、零污染、設計操作簡單、低溫啟動、安全穩(wěn)定等諸多優(yōu)點而成為汽車新型替代能源的研究熱點之一。為了發(fā)揮每個單電池的最大性能及進行有效的水管理，必須對燃料電池堆的進氣系統(tǒng)進行有效的設計，以確保燃料電池進氣系統(tǒng)能夠?qū)錃夂涂諝庖砸欢ǖ乃俣染鶆虻乃偷矫總€單電池。 本文首先研究了燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部傳質(zhì)、傳熱基本原理，描述了質(zhì)

2、子交換膜燃料電池的三維數(shù)學模型，包括了流動和傳質(zhì)基本方程、多孔介質(zhì)中的擴散模型、催化層中的電化學反應模型以及流道中水傳輸模型(VOF模型)。 根據(jù)電堆的實際尺寸，建立了燃料電池進氣系統(tǒng)的幾何模型。為了簡化計算，引入了多孔介質(zhì)模型。利用建立的模型對電堆陰、陽極進氣系統(tǒng)進行了模擬，結(jié)果表明，電堆陽極側(cè)各單片進氣較均勻，但是各單片進氣速度太小，不利于進行水管理；電堆陰極側(cè)各單片進氣較不均勻，其差異值達到近4倍；電堆陰極進氣從靠近進氣總

3、管進口到出口位置進氣量依次增加。 在計算所得的電堆氣場分布條件下，運用Fluent軟件的PEM模塊對電堆中不同位置的單電池進行了模擬分析。分析了不同的入口邊界條件對燃料電池性能的影響，結(jié)果表明隨著進氣量的增加，電池性能會相應的增加，但在電堆后半段電池性能的增加逐漸變緩；在此基礎上得到了電堆的整體性能。利用VOF模型進行了電堆局部堵水的計算，分析了流道中液態(tài)水的受力情況及排水時間等，認為在本文所計算的電堆下水堵問題對反應影響不大，