文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

质子交换膜燃料电池温度场的三维模拟∗

温小飞 1,2,詹志刚 2,3,肖金生 2,4
1 浙江国际海运职业技术学院, 浙江 316021;2 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,
3 能源与动力工程学院,4 汽车工程学院,湖北 430070

摘要:质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部热源和温度场分布研究是其热管理和性能研究不可缺少的一个环节。应用 CFD 软
件对 PEMFC 进行了热模拟,分析了温度场在电池内部的分布,模拟得到的电池性能与试验结果进行了比较。认为 PEMFC
的温度场不均匀程度,随着电流密度的增加而加大;在垂直电极方向,电池的最高温度区域在阴极催化层;在沿流道方向,
电池的高温区域发生在阴极进口段,流道下部的温度高于岸下部的温度。通过模拟得到的性能曲线与试验测试的性能曲线基
本吻合。
关键词:质子交换膜;燃料电池;温度场;模拟

质子交换膜燃料电池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是一个多相、多尺度、多物理场、
动态复杂系统。质子交换膜燃料电池的内部热场分布研究是 PEMFC 性能研究和电池堆的热管理不可缺少
的一个环节。目前的设计中,PEMFC 很容易因为局部电流密度大、温度过高而导致质子交换膜失水,为
了防止膜的干燥及高温运行,需要有相应的散热机制来移走电化学反应产生的热量,PEMFC 产生的热能
约占总能量的 50%[1]。Springer 认为避免 PEMFC 运行时温度过高,可采用适当的冷却剂对电池进行冷却;
水、热管理是 PEMFC 研究的两个重要方面,保持电池内水热平衡是电池能够稳定运行的关键[2]。Fuller
提出的二维模型,考察了水管理、热管理对电池性能的影响,说明了热管理和水平衡的关系[3]。Yi 等建立
了 PEMFC 沿流道二维模型中采用了反应气顺流模型,考虑膜中压力梯度引起的对流传递、沿流道的温度
分布,考察了自然对流、逆流和顺流热交换的散热过程;结果显示逆流热交换具有更好的散热效果[4,5]。
Dannenberg 假设电池温度仅沿流道方向变化,采用 Stefan-Maxwell 方程和简化的 Bulter-Volumer 方程,建
立了沿流道方向质量与能量传递的二维模型,模拟结果表明在接近等温状态电池性能最好[6]。Costamagna 建
立了一个全面的三维数学模型,描述了电池内的温度分布,其中也考虑了能量传递[7]。在一定范围的运行
条件下,为提高模拟结果可靠性,应该在模拟计算时考虑膜、电极、气体通道中的多项扩散和对流传热传
质[8]。从建模的角度看,建立一个综合的研究热传递模型,仍是热管理方面一项具有挑战性的工作。本文
对 PEMFC 温度场进行了模拟和分析,为 PEMFC 的热管理提供科学指导。
1 模型描述
质子交换膜燃料电池的热场模拟,主要是通过应用基本的物理定律、传输机理、电化学理论等对电池
内部复杂的物理现象进行模拟,并且对模拟结果进行可视化,提高对质子交换膜燃料电池内部热场分布的
理解,有效地指导 PEMFC 的热管理,从而提高电池的工作性能。
PEMFC 的几何模型如图 1 所示,