质子交换膜燃料电池中温度分布的模拟

武汉理工大学
硕士学位论文
质子交换膜燃料电池中温度分布的模拟
姓名：朱蓉文
申请学位级别：硕士
专业：材料学
指导教师：肖金生
20060401
武汉理工大学硕士学位论文
并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的作用。

扩散层对于电子传递和气体扩散通道、以及电池性能都会产生一定的影响。

在通常的情况下，质子交换膜和两个电极结合，组成ＰＦＭＦＣ的膜电极组件ＭＥＡ，其电极部分包括气体扩散层和催化层。

（４）集流板是用来收集电子，是电极与外电路之间的电流通道，一般是由带有气体通道的石墨或表面改性的会属板组成，在电堆中，阳极集流板与阴极集流板背对背制作在一起ｊ即为双极板。

图１－１质子交换膜燃料电池的结构示意图
ＰＥＭＦＣ的工作原理如图１—２所示，其反应过程为：
（１）导入的氢气通过阳极集流板（双极板）经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在阳极催化剂（一般为碳载铂）作用下，氢分子解离为带正电的氢
离子（即质子）并释放出带负电的电子，完成阳极反应：
Ｈ２＿÷２Ｈ＋＋２ｅ‘（１－１）（２）氢离子穿过膜到达阴极催化剂层；而电子则由集流板收集，通过外电路到达阴极。

电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。

（３）在电池另一端，氧气通过阴极集流板（双极板）经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。

在阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应：
１／２０２＋２Ｈ＋＋２ｅ＿÷Ｈ２０（１．２）
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第３章燃料电池运行条件对温度分布的影响
本章主要考虑电池内部热源对温度的影响，由于内部热源的变化与电池的电流密度及各种操作条件的变化，电池内部热量传递的效率与电池各部分的热学性质都有着Ｉ岔切联系，因此主要讨论电流密度，操作条件（力ｕ湿程度，气体压力，过量系数）及电池参数（扩散层导热率）对温度分布的影响。

３．１几何模型及参数
根据研究需要，建立了二个ｌＯＯｎｍｌＸ２０ｉｎｔｏＸ４．４９ｍｍ的包含１０个直流道的单电池模型，该模型包含了阴极，阳极极板、气体流道、扩散层、催化层及质子交换膜，模型结构如图３－１所示，整个模型共有１３０万个网格单元，其结构尺寸及网梧划分见表３－１，计算机模拟的主要参数见表３－２。

构尺寸及网格划分见表３－１，计算机模拟的主要参数见表３－２。

图３．１模型几何结构示意图
表３．１模型结构尺寸及网格划分
长（ｒａｍ），戈０分段数宽（ｒａｍ），划分段数高（ｒａｍｊ剧分段数质子交换膜１００１１００２０／２０００．０５［５
催化层１００／１００２０／２０００．０２／５
扩散层１００／１００２０／２０００．２／５
流递１００『１００１／１０１／１０
集流板ｌＯＯｆｌＯＤ２０／２００２／２０
ＭＥＡ外侧在靠近电极的温度分布影响很小，电极端板的温度基本相同，这是由于电极材料石墨碳板具有良好导热性能。

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０００２００００１５０００１０００００５０００００．０．０００５－０．００１０－０．００１５．Ｏ．００２０
横贯电极方向（ｍ）
图３．１０催化层导热系数对电极方向温度分布的影响
（ａ，ｂ，ｃ曲线分别代表导热系数为０．３Ｗｌ（ｉｎ・Ｋ），１．６Ｗ／（ｍ・Ｋ），１９Ｗ／（ｍ・Ｋ））
喜
餐
０．０００２００００１０．ｏｏｏｏ－０．０００１．－０．０００２
横贯电极方向（ｍ）
图３－１１催化层导热系数对电极方向温度分布的影响（ＭＥＡ局部）
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第４章冷却水状态对温度分布的影晌
本章主要是从解决温度分布不均匀的角度来分析相关因素对温度分布的影响，主要包括冷却流道的设计，冷却液的流向，温度及流速对温度分布的影响。

模拟计算设计到包括冷却水在内的多种流动传热现象，为了更接近真实电池的运行状况，建立了与实际电池结构类似规模比较大的模型，采用计算机并行技术进行了模拟计算。

４．１几何模型及参数
如图４一ｌ所示，建立了一个９６ｒａｍ×４８ｒａｍ×５．４９ｍｍ的单电池几何模型，模型综合考虑了ＮＩｇＨ极进气的不同，采用目前实际使用中电池的流场结构：阳极采用８进口３段的蛇型流道，阴极流道和冷却槽都是采用２４个直流道，其中冷却槽在阴极流道下面。

电池活性面积达到近５０ｃｍ２，已经很接近实际单电池的尺寸，模型具体结构及网格划分见表４—１所示，计算机模拟的主要参数见表３—２。

图４－１模型几何结构示意图
首先研究了冷却槽内冷却水的温度分布情况，由于冷却水的传热效果与其流动状态存在密切联系，须确定其流动状态。

根据流体力学定义：
Ｒｅ：监ｆ４－１、
Ｕ
如：丝（４－２）
Ｘ
Ｄ：
塑！！！
：ｆ４－３）１＋０．０３３７ｔ＋０．０００２２Ｉｔ‘
其中Ｒｅ为雷诺数，Ｖ为液体平均流速（ｍ／ｓ），ｄＨ为水力直径（ｍ），Ｄ为液体的运动粘度（ｍ２／ｓ），Ａ为液流有效面积（ｍ２），ｘ为湿周㈤，ｔ为温度（℃）。

根据以上公式可以得出在通常情况下冷却水的流动为层流状态，图４—２是顺流条件下电流密度为１．０Ａ／ｃｍ２时冷却水温度分布图，冷却水进出口截面处温度分布趋势图也验证水的流动状态为层流，在顺流和逆流及其对应的高低电流密度下冷却水温度的数值范围基本一致，见表４．３。

从图中可以看到冷却槽内特别是在出口处温度分布差别比较大，最高温度都接近８０℃的电池工作温度，丽最低温度约为７５ｏＣ，这说明冷却水的换热效果并不好，对传热的贡献比较大的仅仅只是靠近壁面处的冷却水，这主要是由冷却水的层流流动状态所决定。

（ａ）冷却槽进口截面（ｂ）冷却槽出１：３截面
图４．２电流密度为１．０Ａ／ｃｍ２时冷却水温度分布
（ａ）无冷却水（ｂ）冷却水顺流（ｃ）冷却水逆流（３５３．７Ｋ－３５５．ＯＫ）（３５２．４Ｋ～３５５－２Ｋ）（ｓ５２・４Ｋ－３５５．３Ｋ）图４．３电流密度为Ｏ．２Ａ／ｃｍ２时膜平面温度分布
（ａ）无冷却水（ｂ）冷却水顺流（ｃ）冷却水逆流
（３５４．７Ｋ一３６３．ＯＫ）（３５４；２Ｋ一３６２．８Ｋ）（３５４．０Ｋ一３６２．６Ｋ）图４－４电流密度为１．０Ｍｃｍ２时膜平面温度分布
（ａ）流速５ｍ／ｓ（ｂ）流速１０ｍ／ｓ（ｃ）流速２０ｍ／ｓ
（３５４．２Ｋ～３６２．８Ｋ）（３５３，９Ｋ一３６２ＡＫ）（３５３．７Ｋ一３６２。

２Ｋ）图４－５电流密度为１．０Ａ／ｃｍ２时膜平面温度分布
（ａ）冷却水３４３Ｋ（ｂ）冷却水３４８Ｋ（ｃ）冷却水３３３Ｋ（３５４．２Ｋ－３６２．８Ｋ）（３５４．４Ｋ－３６２．９Ｋ）（３５３．４Ｋ～３６２．３Ｋ）图４－６电流密度为１．０Ａ／ｃｍ２时膜平面温度分布。