基于单层电堆形式的质子交换膜燃料电池仿真模拟研究及优化

摘要：

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其较高的发电效率和常温工作稳定性而被广泛关注.传统PEMFC由于电堆内部发电负载不均匀,容易发生"水淹"等问题.大多数研究基于在单电池层面上通过改变流场结构的方法优化PEMFC,但PEMFC工作时往往是组装电堆的形式.为此,设计带有竖直流道作为反应物进出口的单电池电堆结构,并提出一种新型的串联补偿流场,采用3个进气口,并具有首尾互相串联的3个流道,流道之间可以互相补偿反应物.使用ANSYS软件基于单层电堆层面进行仿真模拟研究,保证阳极是相同蛇形流场的情况下,阴极分别采用传统单流道蛇形流场和新型串联补偿流场,分析单层PEMFC电堆中多孔介质层(即扩散层(GDL)和催化层(CL))的电流密度、氧气质量分数、液态水饱和度、速度矢量和流道压力的分布规律.仿真结果表明:传统单流道蛇形流场单层PEMFC电堆中,整体管道压降较高,电流密度和氧气质量分数较高的区域集中在入口段,越靠近出口段分布越少;出口段液态水饱和度较高而速度矢量没有明显升高,液态水容易囤积在出口段;新型串联补偿流场,电流密度分布相对均匀,氧气质量分数有多个较高的区域,分布更加广泛,电化学反应更加充分,整体压降较低,在氧气质量分数较高的区域,速度矢量明显较高,促使氧气在多个流道间快速补充和扩散,整体液态水饱和度相对较低,出口段同样速度矢量较高,排水效果增强.

关键词：质子交换膜燃料电池、流场、电堆、结构、仿真、氢能

所属期刊栏目：44

分类号：TK01(一般性问题)

资助基金：国家自然科学基金22179054

在线出版日期：2022-09-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共6页

页码：91-96