HT-PEM燃料电池组合流场的性能模拟

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1、第33卷第8期可再生能源Vol.33No.82015年8月RenewableEnergyResourcesAug.2015HT-PEM燃料电池组合流场的性能模拟1121陈士忠，夏忠贤，张旭阳，吴玉厚（1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳110168；2.迈阿密大学工程学院，佛罗里达州迈阿密33101）摘要：为了研究流场结构对HT-PEM燃料电池性能的影响，运用多物理场直接耦合分析软件（COMSOLMul-tiphysics），对由两种流道组合而成的4种流场（两种单一流场与两种混合流场）的HT-PEM燃料电池进行了数值模拟。在相同的操作条件下，得到了4种组合流场的极化曲线、阴极

2、氧气浓度变化及阴极流道中心压力变化情况。对模拟结果进行分析和比较得出：阴极氧气浓度和阴极流道中心压力均沿着气体流动方向逐渐降低，其变化主要发生在流道的拐角处及渐变处；综合考虑输出电流密度、气体传质及气体在电极各处分配的均匀性等因素，蛇形渐变流场的整体性能最好，阳极普通蛇形流场/阴极蛇形渐变流场组成的混合流场其次，普通蛇形流场再次，阳极蛇形渐变流场/阴极普通蛇形流场组成的混合流场最差。模拟结果对HT-PEM燃料电池结构的优化和设计具有重要的指导意义。关键词：HT-PEM燃料电池；COMSOL；极化曲线；氧气浓度；压力变化中图分类号：TK6；TM911.4文献标志码：A文章编号：1

3、671-5292（2015）08-1245-07DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.08.021[7]0引言新型流场等对电池性能的影响；周孝锋对质子燃料电池（FuelCell）是一种将存储于燃料与交换膜燃料电池进行了三维多物理场建模，模拟氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装了PEMFC膜电极阴极侧的工作状态，分析了膜[1]置，是继火力发电、水力发电及核电之后的新一电极阴极侧的压力分布、气体质量分数分布及电[8]代发电技术。燃料电池结合了内燃机和电池的诸流密度分布等；陈涛在三维质子交换膜燃料电[2]多优点。其中，质子交换膜（ProtonExc

4、hange池模型中，模拟分析了4种不同结构蛇形流场的Membrane,PEM）燃料电池因其不受卡诺循环限速度、膜中水含量及功率密度等，对流场的结构及[9]制、能量转化效率高、可靠性高、噪音小、可低温启参数进行了优化。在实验方面，孙红通过实验研[3]动及无污染等优点已成为发展最快的一类燃料究了电池加热温度、加湿温度及反应气体流量对电池。特别是在注重改善能源匮乏、环境污染和可PEM燃料电池性能的影响，并通过优化操作参数[10]持续发展的今天，质子交换膜燃料电池表现出了提高了PEM燃料电池的性能；吴玉厚运用燃料[4]更多的发展机遇。电池测试系统研究了操作参数对交指流场和蛇形由燃料电池

5、的工作原理可知，流场板作为质流场PEM燃料电池性能的影响，得出在欧姆极化[5]子交换膜燃料电池的关键组件之一，其质量占区蛇形流场性能优于交指流场，而在浓差极化区[11]整个电堆的60%～80%，成本则占总成本的40%～交指流场性能优于蛇形流场；谭雅巍对质子交60%，而且流场结构直接影响电池各部分能否获换膜燃料电池的极化曲线进行了实验测定，研究得充足的反应气体及反应产物能否及时排出等，了不同流场结构、流道深度和宽度对电池性能的进而影响电池的整体性能。所以，研究合理的流场影响，发现采用组合流场的电池性能最佳。本文在结构对于燃料电池性能的提高十分重要，从而备上述研究基础上，采用由两种

6、不同结构的蛇形流受各国科学工作者的关注。场板组合而成的4种不同流场的HT-PEM燃料[6]在模拟方面，熊济时通过计算流体软件Flu-电池模型，在相同的操作条件下，利用多物理场直ent模拟了流道截面形状、结构尺寸及自主设计的接耦合分析软件COMSOLMultiphysics进行模拟收稿日期：2014-12-15。基金项目：辽宁省博士启动基金项目（20121050）；辽宁省教育项目（LJQ201205）；沈阳市科技计划项目（F12-277-1-30）。作者简介：陈士忠（1979-），男，黑龙江肇东人，副教授，博士后，主要从事质子交换膜燃料电池技术和建筑机械技术研究工作。通讯作者：夏

7、忠贤（1990-），男，山东烟台人，硕士研究生，主要从事质子交换膜燃料电池技术研究工作。E-mail：xiazx4416@163.com·1245·可再生能源2015，33（8）分析[12]，比较了不同组合流场之间的性能差异。表1参数表Table1Parameterlist1模型的建立参数名称表示符号数值1.1物理模型的建立电池长度L0.026m图1为模拟中所用到的两种流道的结构示意流道高度H_ch1e-3m图。利用这两种流道可以得到4种流场：①阳极普流道宽度W_ch1e-3m通四流道蛇形流