燃料电池双极板流场数值模拟及模型实验研究

【摘要】：燃料电池是一种环境良好、高效的发电装置，它可将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，对环境无污染。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)能低温启动，无电解液流失，结构简单，操作方便，已被公认为电动汽车、区域性电站及航天器等的首选能源。 本文结合湖北省自然科学基金项目(2003ABA088)“质子交换膜燃料电池流动与传热数值模拟及其性能优化”及教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20050497014)“PEM燃料电池中水的输运机理及水管理研究”进行。双极板是燃料电池关键部件之一，它担负着：(1)均匀分配电池发电所需的燃料与氧化剂，保证电流密度分布均匀，避免局部过热；(2)使反应所生成的水在反应尾气吹扫和夹带下顺利排除。故双极板的流场结构设计显得至关重要。本文旨在通过改变双极板流道横截面形状，数值模拟和实验研究不同横截面形状流道内的压力分布以及对多孔介质渗透能力，为燃料电池双极板设计提供参考。 作者通过广泛查阅国内外相关文献、分析燃料电池流场内流动特性基础上，从流动的角度提出了两种优化的流道形状：半圆形横截面流道和U形横截面流道，并申请了一项国家实用新型专利(燃料电池曲线型截面槽道双极板)，专利申请号为：200520099369.4。采用CFD商用软件CFX5.7.1对所提出的优化流道和目前通用的矩形流道进行三维流动数值模拟，比较半圆形截面槽道、U形截面槽道、矩形截面槽道的压力分布以及通过扩散层的流量。模拟结果表明：半圆形截面槽道的压力降最小，U形截面槽道的压力降次之，矩形截面槽道的压力降最大；扩散到扩散层的气体U形最大，半圆形次之，矩形最小。在此基础上，制作三个原尺度双极板模型，在两种进气腔形式、三种进气量情况下测量了流道内的压力分布。测量结果表明：半圆形以及U形截面槽道的沿程压降要比目前常用的矩形截面槽道性能好，这与数值模拟的结果一致。