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质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种新型的能源,具有工作温度低、无污染、比功率大和启动迅速等优点,已成为能源研究的重点之一。质子交换膜燃料电池的传热传质模拟对燃料电池的热管理具有重要意义。本文利用计算流体软件Fluent中的PEM模块对质子交换膜燃料电池进行传热传质的计算模拟,分别建立单流道燃料电池、多流道燃料电池和带冷却通道的质子交换膜燃料电池等模型进行分析,为燃料电池堆的热管理提供理论指导。
⑴对单流道质子交换膜燃料电池进行计算模拟,得到了燃料电池的极化曲线,与实验数据吻合。沿流道方向,阴极催化层,质子交换膜和阳极催化层内的温度变化规律一致,且阴极催化层的温度高于质子交换膜内的温度,质子交换膜内的温度高于阳极催化层内的温度。横贯电极方向,集流板温度分布均匀,稳定在353.3K左右,温度最高点发生在阴极催化层,阴极侧温度偏高。
⑵对多流道燃料电池进行计算分析,反应气采用加湿氢气和空气时,膜内温度分布范围为353.1168～357.456K,电流密度为1483.8953～11871.62A/m2,采用加湿氢气和氧气时,膜内温度分布范围为353.0143～358.3163K,电流密度为7812.1963～17577.441A/m2。可见,提高气体浓度在一定程度上提高了电池的输出性能。比较加湿对温度分布的影响得到,加湿前,温度沿流道方向上升迅速,入口段以后温度从355K上升至358K。而加湿后,温度上升的幅度变小,温度范围处于357～358K,大部分区域温差小于1K。
⑶对燃料电池进行有效的热管理,必须控制温度范围,匀化温度分布,控制温度极限。建立带冷却通道的质子交换膜燃料电池模型,随着冷却水流速的增大,膜中温度逐渐降低。并且在冷却水流速很高如20m/s,膜中平均温度很低,只有351K左右,并且温度分布比较均匀。而在冷却水流速较低时如0.25m/s,沿流道方向温度逐渐上升,进出口温差1K左右。