pemfc交指型流道及擴散層的氣場模擬和優(yōu)化

1、第 2 8卷 第 6 期 2 0 0 4年 1 2月 武漢 理工大學(xué)學(xué) 報 ( 考 苧 彗 差 )J o u r n a lo fW u h a nUn i v e r s i t yo fTe c h n o l o g y( T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e & E n g i n e e r i n g )Vo 1 ． 2 8No ． 6De e ． 2 0 0 4P E

2、 MF C交指 型流道及擴散層 的氣 場模 擬 和優(yōu) 化 *崔東周D肖金生。 ’羅志平。 ’袁潤章。 ’( 武 漢 理工 大學(xué) 能源 與動力 工 程學(xué) 院” 武 漢 4 3 0 0 6 3 )( 武漢 理工 大學(xué) 材料 復(fù)合 新技 術(shù) 國家重 點實 驗室 武漢 4 3 0 0 7 0 )摘要： 質(zhì)子交換膜燃料 電池的流道及擴散層對均勻化氧的分布起著非常重要的作用． 模擬分析的 結(jié)果表明增大流道深度有利于氧在擴散層表面的均勻化分布， 擴

3、散層和擴散亞層對氧濃度 的均勻 化 分布 取決 于其 對 氧 的橫 向擴散 阻力 和縱 向擴散 阻力 的相 對大 小變 化．關(guān) 鍵詞 ： P E M 燃料 電池 ， 氣 場 ， 模 擬 ， 優(yōu)化 中圖 法分 類號 t T K9 1 ； TB l l 5氫 一 空 P E MF C( p r o t o ne x c h a n g eme mb r a n ef u e lc e l l ， P E MF C ) 從 流道 進 口到 出

4、 口， 空氣 中的 氧擴 散到催 化層參 與 反應(yīng)被 消耗掉 ， 其 陰極側(cè) 的 濃度 在流道 中沿 流動方 向逐 漸下降． 流道 間隔 的 存在 ， 加劇 了氧作為擴 散層 的物質(zhì) 擴散 源的不 均 勻性 [ 1 ] ， 造成 P E MF C性 能 的嚴重下 降． 流道和催 化層 之 間的擴散 層 、 擴散 亞層就是 為 了增 強氧 氣 分布 的均勻性 [ 2 ] ． 目前 ， 各種通用 C F D( c o mp u t a —t

5、 i o n a lf l u i dd y n a mi c s )商業(yè) 軟 件 包 如 P H O E N—I C S ， F L UE N T， S T A R - C D， C F X等在我 國市場 上 已經(jīng)很 流行[ 3 ] ， 用 C F D軟件對 P E MF C 內(nèi)的物 質(zhì) 傳輸過程進 行模擬和優(yōu)化為解決 P E MF C內(nèi)物 質(zhì) 均勻分布 問題 的研究提供 了有效 的工具．1計算模 型1 ． 1 幾 何 模 型 采用

6、面積 為 5 0mmX5 0mm、 流 道為 交指 型 的單 電池 ， 進氣 口和 出氣 口面積相 等 ， 都為矩 形 ，寬 2mm． 流 道 下部 為 擴 散 層 、 擴 散 亞 層 和 催 化 層 ， 結(jié)構(gòu) 如圖 1 所示． 流道寬 1mm， 流道 間隔寬 1mm， 擴散層厚 0 ． 2mm， 擴散亞層厚 0 ． 0 5m m， 催 化 層 厚 0 ． 0 0 5mm．1 ． 2 物 理 模 型 P E MF C運行過程是一個 多相

7、 、 多尺度 、 多物 圖 1 交 指 型流道 計 算模 型 理 場 的動態(tài) 過程 ， 影 響各種 物理 量的 因素復(fù) 雜多 變并且各種物 理量本 身相互耦合． 為此 ， 對耦合 因 素進行解耦 ， 考慮 主要 因素 ， 計算分析較 為一般 的情況 ， 作 以下簡 化 ： ( 1 )P E MF C陰極 半 電池可 以 單 獨 分 開 工 作 ； ( 2 )P E MF C 為 恒 溫 8 0 ℃， 絕 熱[ ‘ ] ， 穩(wěn)態(tài) [ ‘；

8、 ( 3 )P E MF C內(nèi)反應(yīng)均勻進 行 的 ， 生 成 的水 為氣 態(tài) ， 沒 有 相 變 ， 不 存 在 二 相 流 ； ( 4 )反應(yīng) 氣體 沒 有加 濕 且 不可 壓 ‘； ( 5 )層 流 ； ( 6 )空 氣 為混合氣 ( 2 1的氧 ， 7 9的氮 ， 質(zhì) 量分數(shù) ) ；常密 度氣體 } ( 7 )陰極半 電池 時 僅假 設(shè) 陰極 生 成水與消耗氧氣 的質(zhì) 量 比為 1。 1 ．聯(lián) 系研究 目標(biāo) ， 將 質(zhì) 子交換

9、膜燃 料 電池 內(nèi)的 實 際工作 過程 作如 上假設(shè) 的合 理簡 化之后 ， 可 用 質(zhì)量守恒方程 、 動量守恒方程 、 組份守恒方程建 立 模型．V ( e pH )= S( e p)= 一 e V P + V ( e ． f l V H )+ ． S收稿 日 期 l 2 0 0 4 — 0 7 — 2 3崔東 周 t 男 · 2 9 歲 ， 碩 士 ， 主要研究 領(lǐng)域 為質(zhì)子 交換膜 燃料 電池 的流動與傳 熱模 擬 。

10、 湖北 省 自然科學(xué) 基金 ( 批準 號 - 2 0 0 3 A B A0 8 8 ) 和高等 學(xué)校博 士學(xué)科 點專項 科研 基金資 助 ( 批 準號 l 2 0 0 3 0 4 9 7 0 1 2 )維普資訊 http://www.cqvip.com 第 6 期 崔 東周 等 ： P E MF C交 指 型流道 及擴 散層 的氣 場模 擬和 優(yōu)化 ‘ 8 6 1‘時 ， 擴 散亞 層與催 化層 交界 面氧質(zhì)量 濃度 的最 大 值

11、隨擴 散亞層 的孔 隙率 的增大 而增 大 ， 面平 均值 隨擴散亞層 的孔 隙率的增 大而有微小變化．從 圖 9 上 可 以看 出 ， 當(dāng)固定擴 散亞層 的孔徑 不變 時 ， 擴 散亞層 與催 化層 交界面 氧濃度 的最大 值隨 擴散亞層 的孔 隙率 的增大 而增 大 ， 面平均值 隨擴散亞層 的孔隙率的增大而減小． 從圖 1 0 上 可 以看 出當(dāng)固定 擴散亞層 的孔 隙率 時 ， 擴散亞 層與 0I2345孔徑， 姍 圖 7 催

12、 化層 表 面氧 濃度 的面 平均 值 隨擴 散亞 層 孔徑 的變 化 0 ． 2 3 66 30 ． 2 3 66 2g0．2 3 66 10 ． 2 3 66 0駕 0 ． 2 3 65 9簧 0．2 3 65 8O ． 2 3 65 70 ． 2 3 65 60I2345孔徑， 姍 圖 8 催 化 層 表面 氧濃 度 的最大值 隨擴散 亞層 孔徑 的變 化 0 ． 4 00 ． 4 50 ． 5 00 ． 5 50 ． 6 0

13、0 ． 6 50 ． 7 0孔 隙率 圖 9 催 化 層表 面 氧濃度 的最大 值和 面 平均 值 隨擴 散亞層 孔 隙率 的變 化 I OI 52 O2 53 O孔 徑， n m圖 1 O 催 化層 表 面氧 濃度 的最 大值 和 面平 均值 隨 擴散 亞層 孔徑 的變 化 催化層交 界面氧的質(zhì)量濃度 的最大值 隨擴散亞層 孔 徑 的增大 而增 大 ， 面平均 值隨擴 散 亞層 的孔徑 的增 大而減小 ．分析本 節(jié)數(shù) 據(jù) ， 增 大

14、了孔徑 和孔 隙率就 如 同 減 少 了物質(zhì) 傳輸 的“ 障礙 ” ， 其對 氧氣垂 直傳輸 的 阻力 減小 ， 氧質(zhì)量濃度 的最大值 t l 然增大 ， 但其對 氧氣縱 向傳 輸 的阻力減 小慢 ， 不利 于 氧氣 的橫 向傳 輸． 氧 的 均勻 化程 度 變 差 ， 氧 的質(zhì) 量 含 量也 降 低 ． 這和擴散層有相 同的規(guī)律 ．3結(jié) 束 語 增大 流道 深度有利于增大 流道 和擴散層交界 面氧氣的質(zhì) 量濃度 值 的面平 均值． 陰

15、極 氣體 擴散 層 、 擴散 亞層 的設(shè) 計應(yīng) 結(jié)合 具體 的燃料 電池 的流 道結(jié)構(gòu)尺 寸和具體的運行條件來優(yōu)化 ， 孔徑 、 孔 隙 率 對氣體 的均勻化 分布 、 擴 散和 過去 的氣體 總量 的影響主要 表現(xiàn)在對 氧氣 的橫 向擴散 阻力和縱 向擴 散阻力 的相對 大小變化 上 ， 對擴 散過 去 的氣 體 量 的影響主要 表現(xiàn) 在擴散 阻力 的絕 對值變 化 上．當(dāng)橫 向擴散 阻力大 于縱 向擴散 阻力 時 ， 則有利 于 氧

16、氣 的勻化分 布．參 考 文 獻 1At u lKu m a r 。Re d d yRa m a n aG ．Ef f e c to fc ha n n e ld i —me n s i o n sa n ds h a p ei nt h ef l o w— f i e l dd i s t r i b u t o ro nt h ep e r f o r ma n c eo fp o l y m e re l e c t r o l

17、y t eme mb r a n ef u e lc e l l s ．J o u r n a lo fP o · w e tS o u r c e s ，2 0 0 3 ， ( 1 1 3 ) ： 1 1 ～ 1 82J o r d a nLR，S h u k l aAK，B e r h s i n gT 。 e ta 1 ．Di f f u —s i o nl a y e rp a r a me t e r si n f

18、lu e n c i n go p t i m a lf u e lc e l lp e r f or ma n c e ．J o u r n a lo fp o we rs o u r c e s ，2 0 0 0t( 8 6 ) ：2 5 O ～ 2 5 43 許 輝 ，鄒早 建 ．基 于 F L UE N T 軟 件 的小 水 線 面雙 體 船 粘性 流 數(shù) 值模 擬．武 漢理 工 大 學(xué)學(xué) 報 ( 交 通 科 學(xué) 與 工程 版

19、) ，2 0 0 4 ， 2 8 ( 1 ) ： 8 ～1 04Ug u rPa s a o g u l l a r i ， W a n gCha o y a n g ． Co m p ut e rf l u i dd y n a m i cmo d e l i n go fpr o t o nee x c h a n g eme m b r a n ef u —e lc e l l su s i n gFl u e n t ． 2 0

20、 0 2Fl u e n tSt u d e n tC o n t e s tW i n n e rPr e s e n t e di n2 0 0 2Fl u e n tu s e rGr o u pM e e t —i n g，M a n c h e s t e r ，NH 5At u lK u ma r，Re d d yR G． M o d e l i n go fp o l y me re l e c —t r o l y t

21、 em e m b r a n ef u e lc e l lwi t hme a a lf o a m i nt h ef l o w — f i e l do ft h eB i p o l a r ／ e n dp l a t e s ．J o u r n a lo fp o we rs o u r c e s2 0 0 3 ， ( 1 1 4 ) ： 5 4 ～ 6 28 7 6 5∞∞∞∞O O O O