质子交换膜燃料电池汽液两相流研究

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1、质子交换膜燃料电池汽液两相流研究摘要：建立了包括PEMFC阴极／阳极侧流道和扩散层、催化层以及质子交换膜在内的三维、两相、非等温数学模型。将建立的模型进行了数值求解，对基本工况下平行流场PEMFC包括阴／阳极侧流道在内的全流场进行统一的计算，数值结果与实验数据吻合较好。说明建立的模型及其求解技术可以仿真不同工况下平行流场和交指流场PEMFCs内部互相耦合的三维、两相物质的流动、传热、传质和电化学特性。该模型同时考虑了包括PEMFC阴极／阳极侧流道和气体扩散层、催化层以及质子交换膜在内的三维特性、两相特性和非等温特性，求解真实性得以改善。关键词：质子

2、交换膜燃料电池；汽液两相流流型；计算流体力学；多物理场耦合0引言对质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行模型化分析研究，可以缩短电池开发时间、减少实验费用、对PEMFC的设计和运行具有指导意义。由于双极板上流道间筋的存在，其对反应物和生成物的传输具有阻碍作用，PEMFC内部的传质具有三维特性。目前的PEMFC数学模型多为一维或二维模型。PEMFC的一个显著特点是阴极反应的产物是水，由于电池运行温度只有80℃，生成水不能全部蒸发，而是随着阴极剩余气体一同排放，当电池的电流密度达到一定数值时，在电池内部将会形成气液两相流区域。由于PEMFC在发生电化学反

3、应产生电能的同时会产生一定的热量，而且这种反应是沿流道逐渐进行的，所以燃料电池的运行是个非等温过程。为此，建立了包括PEMFC阴极／阳极侧流道和气体扩散层、催化层以及质子交换膜在内的三维、两相、非等温数学模型。模型考虑了流道间筋的存在，使其具有三维特性；考虑了阴极流道和气体扩散层中可能存在的液态水，并利用相变公式仿真了液态水的生成，从而更加准确地仿真了燃料电池内部水的存在状态；同时考虑了伴随电化学反应的热量产生和传输，并把非等温的温度场和传质方程、电化学特性方程和膜中水传输控制方程相耦合。建模时同时考虑了PEMFC的三维特性、两相特性和非等温特性，

4、仿真真实性得以改善。1数学模型1.1计算区域由于交指流场有进口流道和出口流道之分，因此必须同时仿真相邻两个流道才可以完整分析交指流场PEMFC的内部流动和传输参数分布和电化学性能分布等电池特性，为了比较平行流场与交指流场PEMFCs之间的差异，因此在仿真平行流场PEMFC的时候也同样仿真相邻两个流道；又因平行流场和交指流场PEMFCs的每个流道本身都具有对称性，因此可以将流道沿中心对称面切开而只仿真半个流道，以减小计算量。由于上述原因，计算区域设定为图1中虚线包围的部分。图1和图2分别为PEMFC数学模型的三维计算区域和计算网格的横截面，并定义上部

5、区域为阳极侧，下部区域为阴极侧，包括两条阳极半流道、阳极气体扩散层和阳极催化层、质子交换膜、阴极气体扩散层和阴极催化层，以及两条阴极半流道。图1PEMFC三维计算区域图2PEMFC计算网格横截面1.2模型假设数学模型在建立时遵循以下假设：(1)电池在稳态条件下运行；(2)流体在流道中层流流动；(3)气体扩散层、催化层和质子交换膜为均相多孔介质；(4)流道和气体扩散层中的H2、O2和N2在液态水中的溶解性忽略不计。1.3控制方程与源项1.3.1质量守恒方程式中ε为多孔介质的孔隙率，即多孔介质的孔隙体积占总体积的比例，在流道中其值为1；ρ为气体混合物的

6、密度；u为气体混合物的本征速度矢量，在多孔介质中，反映的是流过多孔介质单位横截面积的体积流量；为质量源项，在催化层中，其值等于反应物和生成物的变化量与水的相变量之和，由下式计算：1.3.2传质方程式中为物质α的质量分数，α可以为H2、O2、H2O（气态）、H2O（液态）或N2为物质的α质量变化源项；为物质α的扩散通量，由下式计算：式中为物质α的扩散系数。（1）阳极侧氢气的传质方程：式中CH2为H2的质量分数；SH2为H2的质量变化源项，计算公式如下：式中I(x,y)为当地电流密度；F为法拉第常数；MH2为氢气的摩尔质量；ACV为比表面积，表示单位体

7、积催化剂的表面积。（2）阴极侧氧气的传质方程：式中CO2为H2的质量分数；SO2为O2的质量变化源项，计算公式如下：MO2为氢气的摩尔质量（3）气态水的传质方程式中为气态水的质量分数；为阳极气态水的质量变化源项；为阴极气态水的质量变化源项；为气态水的相变源项；上标：v为气态；下标：w为水，a为阳极，c为阴极，p为相变。式中为净水传递系数；为水的摩尔质量。随着反应的进行，如果某个区域气态水的压力大于当地温度下水的饱和压力，则会有部分气态水凝结成液态水；相反，如果气态水的压力小于当地温度下的水的饱和压力，液态水将蒸发成气态水，当然，液态水的蒸发还取决于

8、每个控制容积内液态水的量。式中p为压力；下标：sat为饱和；R为通用气体常数；T为温度；kc为凝结速率。由下式计算：（4）