常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池传热传质三维模拟
质子交换膜燃料电池动态过程的数值模拟
第 ５ 卷 第 １ 期 ７ １ ２０ ０ ６年 １
Ｖ ０１ ７ ＮＯ．１ ．５ １
ｎ ｇ ｎ ｅ ｉｇ Ｃ ｉａ Ｊ ｕ ｎ ｌ ｏ Ｃｈ ｍｉａ Ｉ ｄ ｓｒ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ （ ｈ ｎ ） ｏ ｒ ａ ｆ ｅ ｃｌ ｎ ｕ ｔｙ
电池阴极侧 膜表面温度和 电流密度 等特 征参数 的动态过 程变 化曲线．最 后 ，分 析 了阴极人 ｕ速 度 、湿 度和 电池
电 压 阶 跃 变 化后 电 池 特 性 的动 态 响应 特 性 ． 结 果 表 明 ：电 池 的 启 动 时 间 和 阶 跃 响 应 时 间 均 为 秒 的 数 量 级 ， 与 大
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｙ ｍ ｉ ｅ ｖ ｏ ｆ ｐｒ ｔ ｎ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｄ ｎａ ｃ ｂ ｈａ ｉ ｒ ｏ ｏ ｏ ｅ ｃ ｎｇ ｅ ｂ ａ ｅ ｆ ｅ ｅ ｌ ｘ ｈａ ｅ ｍ ｍ ｒ ｎ ｕ ｌｃ ｌ
ＨＵ ｉｉ －。ＦＡＮ ａ ｅ 。ＣＥＮ ｆ Ｇｕ ｌｎ ． Ｊｉ ｎｒ ｎ‘ Ｋｅ ａ
多 数模 型 模 拟 的 结 果 相 一 致 ．
关键词 ：质子交 换膜 ；燃料电池 ；动态模型 ；数值模 拟
中图 分 类 号 ： ＴＭ ｌ． ９１４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ３ — １５ （ ０ ６ １ — ２ ９ — ０ ４８ １７ ２０ ） １ ６３ ６
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａ ｒ ｎ ｉｎ ， ｔ ｒ ｅ ｄ ｍ ｅ ｓｏ ａ ， ｎ ｎ ｉｏ ｈ ｒ １ ｎ ｗｏ ｐ ａ ｅ ｍ ａ ｈ ｍａ ｉａ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｔ ａ ｓｅ ｔ ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｏ ｓ ｔ ｅ ｍａ ａ ｄ ｔ — ｈ ｓ ｔ ｅ ｔｃ １ ｄ １ｂ ｓ ｄ ｏ ｃ ｍ ｐ ｔ ｔｏ ｌ ｉ ｄ ｎ ｍｉ ｓ ｗａ ｅ ｅ ｏ ｅ ｔ ｄ ｓ ｒｂ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍ ｉ ｒ ｃ ｓ ｆ Ｐ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ ｆｕ ｄ ｙ ａ ｃ ｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｏ ｅ ｃ ｉ ｅ ｈ ｙ ａ ｃ ｏ ｅ ｓ ｏ ＥＭ ＦＣ Ｔｈ ｅ ｅ ｏ ｅ ｐ ． ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｍｏ ｅ ｗａ ｓ ｄ ｔ ｉ ｕ ａ ｅ ａｓ ｒ ｅ ｔｎ ｌ ｗ ｉｌ ＥＭ Ｆ ｄ１ ｓｕ ｅ ｏ ｓｍ ｌ ｔ ｅ ｐ ｎ ｉ ｅ ｆ ｏ ｆｅ ｄ Ｐ Ｃ，ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｐ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｓ ｃ ｎ ｈ ｙ ａ ｃｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ａ ａ ｔ ｒ ｕ ｈ
质子交换膜燃料电池建模与matlab仿真
质子交换膜燃料电池建模与matlab仿真质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种新型的燃料电池，具有高效、环保、低噪音等优点，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。
本文将介绍PEMFC 的建模方法和matlab仿真过程。
一、PEMFC的建模方法PEMFC的建模方法主要包括物理模型和数学模型两个方面。
1.物理模型PEMFC的物理模型主要包括质子传输模型、电子传输模型、氢气传输模型和氧气传输模型。
质子传输模型：PEMFC中的质子传输是通过质子交换膜（PEM）实现的。
PEM的作用是将氢气和氧气分离，同时允许质子通过。
质子传输模型可以用Fick定律表示：JH+=-Dh∇cH+其中，JH+表示质子的扩散通量，Dh表示质子的扩散系数，cH+表示质子的浓度。
电子传输模型：PEMFC中的电子传输是通过电极和电解质之间的反应实现的。
电子传输模型可以用Ohm定律表示：J=σ∇V其中，J表示电流密度，σ表示电导率，V表示电势。
氢气传输模型：PEMFC中的氢气传输是通过氢气通道实现的。
氢气传输模型可以用Fick定律表示：JH2=-Dh2∇cH2其中，JH2表示氢气的扩散通量，Dh2表示氢气的扩散系数，cH2表示氢气的浓度。
氧气传输模型：PEMFC中的氧气传输是通过氧气通道实现的。
氧气传输模型可以用Fick定律表示：JO2=-DO2∇cO2其中，JO2表示氧气的扩散通量，DO2表示氧气的扩散系数，cO2表示氧气的浓度。
2.数学模型PEMFC的数学模型主要包括质量守恒方程、动量守恒方程、电荷守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程：PEMFC中的质量守恒方程可以用以下方程表示：∂(εH2cH2)/∂t+∇(εH2cH2vH2)=0其中，εH2表示氢气通道的孔隙率，cH2表示氢气的浓度，vH2表示氢气的速度。
动量守恒方程：PEMFC中的动量守恒方程可以用以下方程表示：∂(εH2ρH2vH2)/∂t+∇(εH2ρH2vH2vH2)=∇P-∇τ其中，ρH2表示氢气的密度，P表示氢气的压力，τ表示氢气的剪切应力。
质子交换膜燃料电池工作过程数值模拟研究
质子交换膜燃料电池工作过程数值模拟研究摘要：燃料电池技术最近成为最热门的技术之一，引起了各大汽车公司的投资兴趣。
其兴趣点在高效率和低污染。
聚合物质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最适合在汽车中使用的燃料电池类型，得益于它的低能耗与高能量密度。
然而，关于质子交换膜燃料电池工作稳定性的研究多集中于物理过程以及宏观角度，如燃料电池低温启动的功率输出稳定性的研究，燃料电池堆温度控制问题，燃料电池与其他电源串联能量分配合理性问题等，但是这些研究的出发点都是燃料电池的对外输出的稳定性，仿真软件也是基于Matlab/simlink的电路仿真，很少有专家以燃料电池内部化学反应机理为出发点展开研究，即从微观角度的研究，基于此，本文重点分析国内外专家学者对燃料电池工作过程的仿真的进展，以期为燃料电池工作稳定性的深入研究提供可行性建议。
关键词：燃料电池；PEMFC；工作过程；仿真1关于质子交换膜燃料电池的MD模拟很多专家学者利用分子动力学（MD）软件，对Nafion膜的导热率以及质子导电率展开了微观层面的研究。
其中，Venkatnathan等人（2007）使用MD方法在两种不同的温度和四种水化水平下构建Nafion膜的模型。
他们指出，水的扩散系数远远大于水合氢离子的扩散系数。
同时，温度对水和水合氢离子的扩散系数起着重要作用[1]。
Tse等人（2013）通过标准的非反应性分子动力学比较3M膜和Nafion膜的结构特性和质子转运。
他们计算了RDF，自扩散常数和其他不同水合温度下的性质，以分离和比较不同侧链的影响[2]。
Chen等人（2014）利用Materials Studio（MS）软件平台建立了PEM的MD计算模型，计算了PEM中水分子和水合氢离子的扩散。
他们发现水分子和氢离子的扩散系数随着含水量的增加而增加，在相同的含水量下，水分子和氢离子的扩散系数随着温度的升高而增加。
毫无疑问，MD方法真的可以理解PEM的微观机制[3]。
质子交换膜燃料电池温度场的三维模拟
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2,41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]。
不同流道质子交换膜燃料电池内传质过程的数值模拟
ｆｅ ｃｌ Ｐ Ｍ Ｃ）ｗｔ ｉ ｅ ｉ ｔ ｅ ｏ ｅ ． ｔ ｃｍ ｕ ｔ ｎ ｕ ｙ ａ ｉｓｍ ｔｏ ，ｔｅｆ ｗ ａｄ ｕｌ ｅｌ Ｅ Ｆ ｓ（ ｉ ｎ ｒ ｇ ａ ｄｆ ｗ ｆ ｌ Ｗｉ ｏ ｐ ｔ ｉ ａ ｆ ｉ ｄｎｍ ｃ ｅ ｄ ｈ ｏ ｈ ｔ ｄｉ ｔ ｌ ｉ ｄ ｈ ａｏｌ ｌ ｄ ｈ ｌ ｎ
Ｋ ｙｗ ｒｓ ｐｏ ｎｅｃａｇ ｅ ｒ ｅｆ ｌ ｅ ｓ ｉ ｅ ｉｔ ｅ ｏ ｅ ； ｕ ｅ ｃ ｍ ｌ ｉ ； ｏｖｎｉ ａ ｅ ｏｄ ：ｒ ｏ ｈ ｅｍ ｍ ａ ｅ ｃｌ ； ｎ ｒ ｇ ａ ｄｆ ｗｆ ｌ ｎ ｒ ａ ｓ ｕ ｔ ｎ ｃｎｅｔ ｎ ｔ ｘ ｎ ｂ ｎ ｕ ｌ ｔ ｄｉ ｔ ｌ ｉ ｄ ｍ ｉ ｌ ｉ ａ ｏ ｏｌ
学的方 法 ， 模拟 和研 究 了质 子 交换 膜 燃料 电池 阴极 内的 流动 和 传 质过 程 。 分别 探 讨 了采 用 交指 型
流场和 平行 流 场 时气体在 阴极 扩散 层 中的传 递机 制 及 各 组分 浓度 分布 的特 性 ， 燃料 电池 流 场 的 为
设 计 与分析提 供 了参 考依 据 。 关 键词 ： 子 交换 膜 燃料 电池 ； 质 交指 型 流场 ； 数值模 拟 ； 平行 流 场
ｔａ ｓ ｏ ｔｏ ａ ｅ ｕ ｐ ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ｔｏ ｅ ｏ ｒｎ ｐ ｒ ｇ ｓ ｏ ｓ ｓ ｅ ｉｓ ｉ ａ ｄ ＰＥＭＦＣ ｗｅ ｅ ｓｕ ｉｄ．Ｔｈ ｃ ａ ｉｍ ａ ｒｎ ｐ ｒ ｎ ｔ ｅ ｆ ｈ ｈ ｆ ｒ ｔ ｄｅ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｇ ｔａ ｓ ｔ ｉ ｆ ｓ ｏ ｈ ｃ ｔｏ ｅ ｇ ｓ ｄｆｕ ｅ ｄ ｔｅ ｇ ｓ ｏ ｓｓ ｅ ｉｓｃ ｎ ｅ ｔａｉｎ ｄｓｒｂ ｔｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｅ ｏ ａ ｄ ａ ｉ ｓ ｒａ ａ ｅ ｕ ｐ ｃ ｅ ｏ ｃ ｎ ｒｔｏ ｉｔ ｕ ｉｎ ｉ ａ ｄ ＰＥＭＦ ｗ ｔ ｎ ｅｄ ｇ － ｈ ｎ ｈ ｉ ｈ ｈ ｆ Ｃ ｈ ｉｔｒ ｉ ｉ ｉ ｔｔｄ ｆｏ ｆ ｌ ｄ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ａ ｏ ｆｅｄ ｗｅ ｅ ｄｓ ｕ ｓ ｄ，ｒｓ ｅ ｔ ｅｙ．Ｔ ｅ ｅ ｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｆｒｔｅ ｄ ｓｇ ｅ－ ａ ｅ ｗ ｅ ｄ ａ ｏ ｖ ｎ ｉｎ ｆ ｗ ｌ ｒ ｉｃ ｓｅ ｌ ｉ ｎ ｌｌ ｉ ｅ ｐ ｃｉ ｌ ｈ ｓ ａ ｅ ｕ ｅ ｅ ｉｎ ｒｆ ｖ ｏ ｈ ｅｅ ｃ ｒｎ ｅｏ ＰＥＭＦＣ ｆｏ ｆ ｌ ｐｎ Ｕ ｏ ｉｇ ，ＨＡ Ｊ —ｔ ｎ ，Ｙ ｎ— ｎ Ｎ ｉ ｉ ２ ＡＯ Ｙａ ａ ａ
质子交换膜燃料电池热力耦合仿真分析(1)
２．３ 热力耦合效应对 ＭＥＡ 应力分布影响
取如图 4 所示的 MEA1 代表点 A 为例，MEA 在热力耦合 效应下的应力变化率计算如下。不同温度下的应力值 S ：353.15 = 1.82 MPa，S243.15 = 1.68 MPa，S293.15 = 1.75 MPa， 最 高 温 度 （353.15 K）相对于常温下（293.15 K）的应力变化率为：
维有限元分析模型，通过定义螺栓预紧力及设置不同温度场模拟热力耦合效应，分析了热力耦合效应对由三个单电池
组成的燃料电池电堆中单电池层内及电池之间应力分布影响规律，为保证燃料电池电堆层内与层间应力分布均匀，提
高电堆装配质量提供了理论指导。
关键词：质子交换膜燃料电池；热力耦合；装配压力；应力分布
中图分类号：ＴＭ ９１１ 文献标识码：Ａ
最高温度（353.15 K）相对于最低温度时（243.15 K）的应力 变化率为:
取 MEA2 与 MEA1 的代表节点 A 相同位置点分析。 不同温度下的应力值：S353.15 = 2.04 MPa，S243.15 = 1.92 MPa， S = 293.15 1.97 MPa。最高温度（353.15 K）相对于常温下（293.15 K）的应力变化率为：
在电堆装了一个 单电池有限元模型，研究在一定装配压力下，燃料电池各个组
收稿日期：２００９－１１－２０ 基金项目：国家自然科学基金项目编号（５０８２０１２５５０６） 作者简介：严蓉蓉（１９８６—），女，江苏省人，硕士，主要研究方向 为质子交换膜燃料电池。
１．４ 载荷施加和边界条件设置
通过施加螺栓预紧力来模拟电堆装配压力，对螺母和螺 栓设置绑定约束，这样保证在整个分析过程中不再分开，提供 足够的紧固力，如图 3 所示。假设燃料电池在室温 20 ℃下完 成装配，在零下 30 ℃启动，运行后温度逐渐升高直到最后稳 定在 80 ℃。为模拟这一温度变化过程，定义一个温度场并做 如下简化：(1)不考虑其他热源产生的温度和湿度; (2)只加载机 械载荷和热载荷;(3)不考虑温度梯度及温度分布不均匀。表 3 为温度场定义及载荷施加。
质子交换膜燃料电池动态特性建模及仿真
ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｃ ｋ ．Ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ
ＡＢＳ Ｔ ＲＡＣＴ ： Ａｍｏ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｎ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｍｅ ｍｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ｔ ａ ｃ ｋ ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｉｐ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ
ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｅ ｄ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｃ ｋ，ａ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｎ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｍｅ ｍｂ ｒ ａ ｎ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｂ ｌａ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｈ ｅ ａ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ，ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ － ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｃ ｋ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ａ ｄ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｗｅ ｒ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍ－ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ｗ ａ ｓ ｎ ａ ｉ ｌ ｅ ｄ ｄ ｏ ｗ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｇ ｒ ｅ ｅ ｓ ｗ ｅ ｌ ｌ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｙ ｓ ｄ ｏ ｗ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏｒ ｆ ａ ｆ ｕ ｅ ｌ ｃ ｅ ｌ ｌ ｈ ｙ ｂ ｉｄ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ．
质子交换膜燃料电池的建模与输出特性研究
质子交换膜燃料电池的建模与输出特性研究金海彬【摘要】质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种重要的燃料电池,对于发展新型清洁能源以及改善环境有着重要的意义.针对其数学模型与仿真方法展开了研究.首先简单介绍了PEMFC的原理与特性,并构建了PEMFC系统的数学模型,模型主要包括燃料电池模型与气体改革者模型.然后以MATLAB的SIMULINK为平台依据上述模型建立了PEMFC的仿真模型,并利用仿真模型分析了PEMFC在负载变化情况下的输出特性以及燃料变化特性,结果表明,PEMFC能够快速地响应负载的变化,输出特性良好.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2013(029)011【总页数】6页(P90-95)【关键词】质子交换膜燃料电池;数学模型;SIMULINK仿真;输出特性【作者】金海彬【作者单位】广东电网公司广州供电局,广东广州 510620【正文语种】中文【中图分类】TM911.42为缓解能源短缺及环境污染同经济发展之间与日俱增的矛盾，发展高效清洁、可持续使用且工作稳定的新能源技术已成为一项十分紧迫的任务。
燃料电池作为一种先进的化学电源，具有高效、无噪音和无污染的优点。
近几年我国燃料电池研究取得了很大进展，特别在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面。
PEMFC具有工作温度低、在室温下快速启动、无电解液流失等特点。
PEMFC不仅可用于建设分散电站，也特别适宜用作可移动动力源，是电动车的理想候选电源。
因此，建立准确的PEMFC数学模型并对其输出特性进行研究，将有力推动其更好地应用到新能源领域[1-3]。
本文首先分析了PEMFC的工作原理和其所具有的特性，在此基础上建立了PEMFC的燃料电池模型和气体改革者模型，然后以MATLAB的SIMULINK为平台，依据上述模型建立了PEMFC的仿真模型，并以仿真为手段研究了其输出特性和燃料变化等特性。
1 PEMFC原理与特性分析1.1PEMFC原理PFMFC由质子交换膜、电催化剂、电极、双极板与气体流场等主要部件构成。
质子交换膜燃料电池的三维数值模拟
ＬＩ Ｈｏ Ｎ ｎｇ， ＴＡＯ ｅ ｑ ａ Ｗ ｎ ｕｎ
（ ｈ ｏ ｆＥｎｅｇ ｎ ｗｅ ｇｎ ｅｉｇ，Ｘｉａ ｉｏｔｎ ｉｅ ｓｔ Ｓｃ ｏ ｌｏ ｒ ｙ ａ ｄ Ｐｏ ｒＥｎ ｉｅ ｒｎ ｎＪａ ｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ，ｘｉａ １ ０ ９，Ｃｈｎ ） ｎ ７ ０ ４ ｉａ
维普资讯
第４卷 ２
第 １ 期
西
安 交
通
大 学 学
报
Ｖｏ ． ２ Ｎ １ １４ ｏ
２０ ０ ８年 １月
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩＡＮ Ｉ Ｊ ＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
Ｊｎ ２ ０ ａ ． ０８
质 子 交换 膜 燃 料 电池 的 三维 数 值模 拟
ｔｏ ｓａ ｓ ｂ ａｎ ｄ ｂ ｏ ｖｎ ｈ ｔ ｒＶｏｍ ｅ ｑ ａ ｉｎ，ａ ｄ ｉｓａ ｅ ａ ｅ ｖ ｌｅ ｗａ ｈ ｎ ｉｎ ｗａ ｌｏ ｏ ｔｉ ｅ ｙ ｓ ｌｉ ｇ ｔ ｅ Ｂｕ ｌ － ｌ ｒ ｅ ｕ ｔｏ ｅ ｎ ｔ ｖ ｒ ｇ ａｕ ｓ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉｈｔ ｅｐ ｅ ｓ ｅ ｉ ｅ ｎ ．Ｔｈ ｉ ｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌｓａ ｅｉ ｇ ｅ ｍ ｅ ｔ ｔ ｈ ｘ ｅ ｉ ｅ — ｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｒ－ ｐ ｃｆ ｄ ｏ ｅ ｉ ｅｓ ｍ ｌｔ ｅ ｕ ｔ ｒ ａ ｒ ｅ ｎ ｈｔ ｅｅ ｐ ｒ ｎ ｏ ｎ ｗｉ ｍ
得 电池 电压 的方 法模拟 电化 学动 力 学过程． 数值 结 果与 实验值 的对 比表 明 ， 采用 的单 电池 计 算模 所 型在 大部 分 工况 下获得 的输 出电压 与 实验值 偏 差均 可控 制在 １ ～２ 以 内． 算并 分析 了单 电 ０ ０ 计 池 局部 电流 密度 分布 ， 同时将 单 电池模 型 与典 型单 元模型 的计 算结 果进行 了对 比， 现 两者在 电流 发 密度 、 量 组分 的分布 上 均存在 明显 的差 异 ， 原 因主要 在 于典 型单 元 边界 条 件 设置 所 致． 工作 质 其 该 将 有助 于对 质子 交换 膜燃料 电池 的流动 、 传质 与 电化 学过 程进 行进 一步 的数值 研 究． 关 键词 ：质 子 交换 膜 燃料 电池 ； 维数 值 模拟 ； 电池 ； 三 单 典型 单元
质子交换膜燃料电池流道尺寸的数值模拟
η ａｃｔ 是关于 ｌｎｊ 的一条直线. 通过拟合 η ａｃｔ 对
ｌｎｊ 或者 ｌｇｊ 可以获得 ｊ ０ 和 α .如果将等式概括为如
下形式:
η ａｃｔ ＝ ａ ＋ ｂｌｎｊ .
(５)
上述方程则称为泰菲尔方程ꎬ其中 ｂ 为泰菲
尔斜率.
在 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ 软件中插入上述方
程ꎬ并对其参数进行设置.
文献标志码: Ａ
ＤＯＩ:１０.１６０３９ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２－１２４９.２０２０.０３.０１０
质子交换膜燃料电池不同于普通的蓄电池ꎬ
料电池三维模型ꎬ运用多物理场耦合软件ꎬ对模型
.它
电池性能的影响ꎬ结果表明:建立的模型有效、可
它是将储存于燃料与氧化剂中的化学能ꎬ不经过
燃烧过程直接转化为电能的一种发电装置
(２) 反应气体均为理想气体ꎻ
处的反应气体易于通过扩散层ꎬ而脊的宽度太大
第 ３７ 卷 第 ３ 期
２０２０ 年 ３ 月
吉 林 化
工
学
院
学
报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＪＩＬＩＮ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ.３７ Ｎｏ.３
Ｍａｒ. ２０２０
文章编号:１００７￣２８５３(２０２０)０３￣００４８￣０５
质子交换膜燃料电池流道尺寸的数值模拟
[１]
进行了仿真分析.运用该模型ꎬ研究脊宽度变化对
不仅具有普通燃料电池的优点ꎬ还因其可靠性高、
靠ꎬ验证结果与前人 [８￣９] 研究的结果吻合. 通过进
能量转化效率高、可低温启动及不受卡诺循环的
一步对质子交换膜燃料电池的不同流道宽度的模
限制等优点ꎬ广泛地应用到了许多领域ꎬ小到移动
基于comsol的质子交换膜燃料电池梯度扩散层的数值模拟
质量守恒方程：
ａ 和ｃ 分别表示阳极和阴极．
（ ） （ ） Ｓｍ ＝
ερ ｔ
＋．
ερμ
（１）
１．３ 边界条件和物性参数 有关燃料电池模型中的主要几何参数与工作
Ｓｍ
＝
ＳＨ２
＝
Ｍ －
Ｈ２
２Ｆ
ｉｖａ
（２）
参数如表１ 和表２ 所示，并对燃料电池的数学建 模进行了以下假设：
Ｓ
ｍ
＝
Ｓ
Ｈ２Ｏ
＋Ｓ
Ｏ２
＝
ＭＨ２Ｏ ２Ｆ
４８
吉 林 化 工 学 院 学 报
年 ２０２０
化层、阴极扩散层以及阴极流道． １．２ 控制方程
电位、式浓（度７）指、（数８）、中传，递η系、γ数、α、、参ｊｒｅｆ考、Ｃ交ｋ 、换Ｃｋ电．ｒｅｆ 分流别密为度、过ｋ
模拟分析中涉及的控制方程如下：
组分的摩尔浓度、ｋ 组分的参考摩尔浓度，下角标
组份守恒方程：
（ ） （ ） （ ）
Байду номын сангаас
εＣｋ ｔ
＋
εμＣｋ
＝
Ｄｅｆｆ ｋ
Ｃｋ
＋Ｓｋ
（６）
式（６）中，左边第一项为非稳态项，第二项为
有扩对流效散项扩源；散项右系．其边数中第、孔一Ｃｋ隙项、Ｄ率为ｅｋｆｆ．、扩ε散分项别，为右组边份第浓二度项、Ｓ组ｋ 份为
电化学方程：
催化层中阳极和阴极的ＢｕｌｔｅｒＶｏｍｅｒ 方程分
化对气体扩散和电池性能的影响．
上述研究均在厚度方向上进行梯度变化扩散
层液态水传输的一维计算［１０］，但未考虑电化学反 应、氧气传输、扩散层中水传输、不同扩散层梯度
（ｂ）燃料电池截面示意图 图１ 燃料电池直流道结构示意图和中心截面示意图
不同流道结构质子交换膜燃料电池内传递现象的三维模拟
不同流道结构质子交换膜燃料电池内传递现象的三维模拟刘永江;陈松;胡桂林;樊建人;岑可法【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2005(039)005【摘要】应用计算流体力学方法,建立了用于模拟质子交换膜燃料电池(PEMFC)传递特性和电化学性能的稳态、等温的三维数学模型.计算了传统流道和交叉梳状流道燃料电池的流场、电流密度和组分浓度等的多维分布.与传统流道的燃料电池相比,交叉梳状流道所产生的电极内强烈的强制对流机理提高了反应物和产物的传输速率,从而改善了电池的极限电流和极化性能等.利用模型估算的极化特性和文献实验结果吻合较好.【总页数】6页(P722-727)【作者】刘永江;陈松;胡桂林;樊建人;岑可法【作者单位】浙江大学,热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学,热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学,热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学,热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学,热能工程研究所,能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室,浙江,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TM991.4【相关文献】1.不同流道质子交换膜燃料电池内传质过程的数值模拟 [J], 苏国萍;韩吉田;么艳娜2.四流道蛇形结构质子交换膜燃料电池温度分布数值模拟 [J], 陈士忠;王艺澄;张旭阳;夏忠贤3.质子交换膜燃料电池两相流动和传递现象的三维数值模拟 [J], 胡桂林;陈松;樊建人;岑可法4.自由呼吸式质子交换膜燃料电池的研究--三维数值分析阴极流道结构对电池性能的影响 [J], 王瑛;李相一;李元龙5.不同流道分布的质子交换膜燃料电池的热模拟 [J], 高源; 朱锐; 李俊凯; 章桐因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
常规流场质子交换膜燃料电池阴极二维两相流模型
常规流场质子交换膜燃料电池阴极二维两相流模型
胡军;衣宝廉;才英华;张华民
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2004(55)6
【摘要】对采用常规条形流场的H2-Air PEMFC阴极建立了二维两相流模型,控制方程耦合了电传导方程、O2和气态H2O的对流-扩散方程、多孔介质连续性方程以及液态H2O输运方程.利用模型计算了阴极扩散层中O2浓度、气态H2O浓度、电流密度以及液态水饱和度的分布,分析了扩散层中H2O的传递方式及各组分浓度分布的特点.
【总页数】7页(P967-973)
【作者】胡军;衣宝廉;才英华;张华民
【作者单位】中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心,辽宁,大
连,116023;中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心,辽宁,大连,116023;
中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心,辽宁,大连,116023;中国科学院
大连化学物理研究所燃料电池工程中心,辽宁,大连,116023
【正文语种】中文
【中图分类】O646
【相关文献】
1.质子交换膜燃料电池二维全电池两相流综合数值模型 [J], 张亚;朱春玲
2.常规流场和交指型流场的质子交换膜燃料电池传热传质三维模拟 [J], 涂海涛;孙
文策;解茂昭;阿布里提
3.采用常规条形流场的质子交换膜燃料电池阴极数值模拟(Ⅱ)电池性能影响因素的分析 [J], 胡军;衣宝廉;侯中军;才英华;张华民
4.采用常规条形流场的质子交换膜燃料电池阴极数值模拟(Ⅰ)模型建立 [J], 胡军;衣宝廉;侯中军;刘卫锋;张华民
5.质子交换膜燃料电池阴极气液两相流模型的建模及仿真 [J], 王金龙;孙福龙;杜新因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
仿生流场质子交换膜燃料电池特性研究
仿生流场质子交换膜燃料电池特性研究
王旭;杨侠;吴艳阳;张刚;罗燕
【期刊名称】《电工电气》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】为了研究不同流场结构对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响,基于人类肺部毛细结构改进设计了一种新型仿生流场。
利用计算流体力学软件Fluent 分别对仿生流场、平行流场、单蛇形流场的PEMFC进行数值模拟,对比了三种PEMFC的极化曲线、压降、气体浓度分布以及电流密度分布,并探究了阴阳极相对加湿度对新型仿生流场PEMFC性能的影响。
结果表明:仿生流场内氢气、氧气、水分布最均匀,阴极流道压降值最小,阴极催化层上电流密度最大;高电压下,电流密度随着阴阳极湿度增大而增大,电池性能随之提升,并且阳极气体加湿度对电池性能的影响比阴极气体加湿度对电池性能的影响大;低电压下,电流密度随着阴阳极湿度增大而减小,电池性能随之降低,并且阴极气体加湿度对电池性能的影响比阳极气体加湿度对电池性能的影响大。
【总页数】7页(P34-40)
【作者】王旭;杨侠;吴艳阳;张刚;罗燕
【作者单位】武汉工程大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
【相关文献】
1.交指型流场结构的质子交换膜燃料电池温度分布特性模拟
2.交指状流场质子交换膜燃料电池的流动特性
3.直通与交叉流场质子交换膜燃料电池瞬态特性
4.质子交换膜燃料电池仿生流道研究进展
5.基于仿生结构流场的质子交换膜燃料电池的性能
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质子交换膜燃料电池内电荷传递的数值模拟
质子交换膜燃料电池内电荷传递的数值模拟
胡桂林;樊建人
【期刊名称】《能源工程》
【年(卷),期】2007(000)004
【摘要】为深入研究质子交换膜燃料电池内电荷传递的规律,发展了一个三维的单相流、非等温数学模型,模型考虑了电子在催化层和扩散层、质子在催化层和质子交换膜中的传递.通过计算得到了电池内电位和电流密度的空间分布,分析了不同电极结构参数下电流密度的分布和最终造成的性能差异.结果表明,欧姆电位的下降主要发生在膜相电位,而碳相电位的下降几乎可以忽略不计;电流密度在流道与集电极交界处出现"火焰形"累积效应;改变电池的结构对电池性能影响不大,应结合加工成本和电流密度分布综合考虑.
【总页数】6页(P9-14)
【作者】胡桂林;樊建人
【作者单位】浙江科技学院,轻工学院,浙江,杭州,310023;浙江大学,能源洁净利用国家重点实验室,浙江,杭州,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.4
【相关文献】
1.质子交换膜燃料电池膜内水迁移和水管理 [J], 马捷;张忠利;苏秋利;郝振良
2.PEM燃料电池中质子交换膜内水和质子的迁移特性 [J], 孙红;郭烈锦;刘洪潭;张
广升
3.质子交换膜燃料电池两相流动和传递现象的三维数值模拟 [J], 胡桂林;陈松;樊建人;岑可法
4.质子交换膜燃料电池内传递现象的数值模拟 [J], 胡桂林;刘永江;樊建人;岑可法
5.质子交换膜燃料电池内部水传递的动态特性分析 [J], 申伟见;李英
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三维质子交换膜燃料电池数值模拟的开题报告
三维质子交换膜燃料电池数值模拟的开题报告一、研究背景与意义燃料电池是一种新兴的清洁能源，其工作原理是将氢气和氧气通过反应得到电能和水，因此的燃料电池被认为是一种非常环保和节能的能源设备。
三维质子交换膜燃料电池是近年来发展起来的一种重要的燃料电池，其在燃料电池中的应用越来越广泛。
由于燃料电池有很多优良的特性，例如高效、轻便、高能量密度等特性，因此它在各种工业、军事、医疗等方面都有着广泛的应用前景。
因此，研究三维质子交换膜燃料电池数值模拟方法及其在实际应用中的优化与改进，对于推动燃料电池技术的发展和应用，具有重要的意义和价值。
二、研究内容和方法目前，三维质子交换膜燃料电池的数值模拟方法主要分为两类：一类是基于计算流体力学（CFD）方法，另一类是基于多物理场耦合模型。
本次研究将主要采用第二种方法，即基于多物理场耦合模型进行三维质子交换膜燃料电池的数值模拟。
在此基础上，本研究还将对模型中的各项参数进行优化调整，以提高燃料电池的性能和效率。
具体的研究步骤包括以下几个方面：1.建立三维质子交换膜燃料电池的多物理场耦合模型，包括质子传输、氧气传输、燃料传输、电化学反应等多个方面。
2.对模型中各项参数进行优化调整，以提高燃料电池的性能和效率。
3.进行数值模拟和仿真实验，对模型进行验证和改进优化。
三、预期成果和意义通过本次研究，预期能够获得以下成果：1.建立三维质子交换膜燃料电池数值模拟的多物理场耦合模型，为燃料电池数值模拟提供基础。
2.对燃料电池的各项参数进行优化调整，提高其性能和效率。
3.实现燃料电池数值模拟的仿真实验，验证和改进优化模型。
该研究结果将为推动燃料电池技术的发展和应用，提供新的理论和技术支持。
同时，也为其他领域的仿真分析研究提供了新的思路和方法。
质子交换膜燃料电池双层扩散层特性三维分析
质子交换膜燃料电池双层扩散层特性三维分析
涂海涛;孙文策;解茂昭;阿布里提
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2008(59)1
【摘要】针对直流道质子交换膜燃料电池提出一种混合的两相三维非等温数学模型,考虑了液态水在多孔介质内的毛细流动和分布,分析了双层扩散层结构及碳纤维特性对电池性能的影响.结果表明,扩散层第一层(靠近催化层)厚度对质子膜电导率和气体传递特性有着相互制约的影响,需进行优化;在一定范围内,扩散层第一层碳纤维直径的减小可提高质子膜电导率,有利于电池性能的改善;在保持其他参数不变的前提下,应尽可能提高多孔介质的憎水性和孔隙率以提高电池输出性能.
【总页数】7页(P182-188)
【作者】涂海涛;孙文策;解茂昭;阿布里提
【作者单位】大连理工大学能源与动力学院,辽宁,大连,116024;大连理工大学能源与动力学院,辽宁,大连,116024;大连理工大学能源与动力学院,辽宁,大连,116024;日本青森工业综合研究所,日本,青森,030-0113
【正文语种】中文
【中图分类】O646
【相关文献】
1.基于COMSOL的质子交换膜燃料电池梯度扩散层的数值模拟 [J], 孟庆然; 陈海伦; 田爱华; 刘金东
2.质子交换膜燃料电池气体扩散层耐久性研究 [J], 陈海平;侯明;高燕燕;齐满满;邵志刚
3.质子交换膜燃料电池气体扩散层研究进展 [J], 曹婷婷;崔新然;马千里;王茁;韩聪;米新艳;于力娜;张克金
4.质子交换膜燃料电池内含水气体扩散层的冻结特性研究 [J], 宇高义郎;许竞莹;王国卓;陈志豪
5.CeO2改性阴极扩散层对质子交换膜燃料电池性能的影响 [J], 王婕润;傅杰;王欣欣;刘畅
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质子交换膜燃料电池催化层气液两相流的建模及仿真
质子交换膜燃料电池催化层气液两相流的建模及仿真王金龙;张壮壮;杜新【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)002【摘要】质子交换膜燃料电池中液态水含量的多少对电池性能具有十分重要的影响。
考虑了质子交换膜燃料电池催化层中气液态水的影响，在假设电池内部保持等温、稳态的基础上建立了电池阴极一维气液两相流模型。
运用MATLAB软件对电池内部不同的液态水饱和度、温度以及不同阴极进气压力对单电池输出电压的影响进行了仿真，得出不同条件下的电流密度和电压之间的关系曲线，将仿真结果与实验数据相比较，该结果与实验数据符合较好，可为车用燃料电池的优化与控制提供依据。
%The content of liquid water is very important to the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) perfor-mance. Firstly,a one-dimensional liquid and gaseous water model of catalyst layer in PEMFC was set up on the basis of isothermy and steady state inside the cell. The effect of different liquid water saturation, temperatures and input gas pressures of cathode on the output voltage of PEMFC is simulated with MATLAB software. The current density-volt-age curves are plotted in different conditions. The simulation results are coincident with the experimental data. These re-sults could be helpful for the optimization and control of vehicle fuel cell.【总页数】4页(P95-98)【作者】王金龙;张壮壮;杜新【作者单位】长春理工大学机电工程学院，长春 130022; 吉林大学汽车工程学院，长春 130025;长春理工大学机电工程学院，长春 130022;长春理工大学机电工程学院，长春 130022; 吉林大学汽车工程学院，长春 130025【正文语种】中文【中图分类】TM911【相关文献】1.铁路运输：质子交换膜燃料电池三维气液两相流数值模拟 [J], 诸葛伟;张扬军;明平文;劳星胜;陈潇2.质子交换膜燃料电池催化层的有效质子电导率 [J], 杜春雨;史鹏飞;程新群;尹鸽平3.质子交换膜燃料电池阴极气液两相流模型的建模及仿真 [J], 王金龙;孙福龙;杜新4.质子交换膜燃料电池一维气液两相流模型研究 [J], 王旭辉; 许思传; 董雅倩5.质子交换膜燃料电池冷启动时阴极催化层内多场耦合的介孔尺度模型 [J], 廖梓豪; 魏琳; 索振邦; 石伟玉; 蒋方明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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关 键 词 ：质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 ；数 学 模 型 ；传 热 传 质
中 图分 类 号 ：０ ６ ６ ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ３ — １ ５ （ Ｏ ７ ６ １ ７ － ０ ４ ８ １ ７ ２ Ｏ ）０ — ３ １ ７
Ｔｈｒ ｅ ｄ ｍ ｅ ｓ ｏ ｌｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｔａ ａ ｓ ｔ ａ ｓ ｅ Ｓ ｉ ｅ － ｉ ｎ ｉ ｎａ ｉ ｌ ｔｏ ｆ ｈ ａ ｎｄ ｍ ｓ ｒ ｎ ｆ ｒ ｎ ＰＥＭ ＦＣｓ
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Ｊ ｎ ２ ０ ｕｅ ０７
常规流 场 和 交指 型 流 场 的质 子 交换 膜
燃 料 电 池 传 热 传 质 三 维 模 拟
涂 海涛 ，孙 文策 ，解茂 昭 ，阿布 里提。
（ 连 理 工 大 学 能 源 与 动 力 学 院 ，辽 宁 大 连 １ ６ ２ ； 日本 青 森 工 业 综 合 研 究 所 ， 日本 青 森 ０ ００ １ ） 大 １０ ４ ３—１ ３
Ａｏ ｒ ｎ ｕ ｔｉ ｌ ｓａ ｃ ｅ ｔｒ，Ａｏ ｒ ３ — １ ３，Ｊ ｐ ｎ ｍｏ ｉＩ ｄ ｓｒａ ｅ ｒｈ Ｃ ｎ ｅ Ｒｅ ｍｏ ｉ０ ０ ０ １ ａ ａ ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｔ ｅ — ｉ ｅ ｉ ｎａ ｎ —ｓ ｔ ｒ ａ ｎｕ ｅ ｉ ａ ｍ ｏ ｌ ｗ ａ ｄ ｖ ｌ ｐｅ ｆ ｐｒ ｔ ｅ ｈａ ｇ ｓｒ ｃ ： ｈｒ ｅ ｄ ｍ ｎｓｏ ｌ ｏｎ ｉｏ ｈｅ ｍ ｌ ｍ ｒｃ ｌ ｄｅ ｓ ｅ ｅ ｏ ｄ ｏｒ ｏ ｏｎ ｘｃ ｎ ｅ
摘 要 ：针 对 常 规 流 场 和 交 指 型 流 场 的质 子 交 换 膜 燃 料 电池 提 出 了 三 维 非 等 温 数 学 模 型 。模 型 详 细 考 虑 了 电 池 内 部 的传 热 、传 质 和 电化 学 反 应 ，重 点 考 察 了多 孔 介 质 内 的 组 分 传 递 和 膜 内 水 的 电 渗 和 扩 散 作 用 ，对 氧 气 传 递 限
（ ｃ ｏ ｌ ｆ Ｅｎ ｒ ｙ ａ ｄ Ｐｏ ｒＥｎ ｎ ｅｉ ｇ，Ｄａ ｉｎ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆ Ｔｅｈ ｏ ｏ Ｓ ｈ ｏ ｅ ｇ ｎ ｗｅ ｇｉｅｒｎ ｏ ｌａ ｉ ｅｓｔ ｏ ｃ ｎ ｌｇｙ，Ｄａ ｉｎ １ ０ ４，Ｌｉｏ ｉｇ，Ｃｈｎ ； ｙ ｌ ６ ２ ａ １ ａｎｎ ｉａ
定义电渗系数狀drag为每个质子所携带的水分子数则水通过膜的电渗通量可表示为犖wdrag狀drag犻狀drag可通过式11计算wmem犮wmem这里膜内水扩散系数犇wmem通过式13计算wmem狀drag犇其中犛qmemmemexp1268阴阳极催化层膜界面电化学反应的局部电流密度可通过butlervolmer方程来描述14电池输出电流密度为犐outputactaohmmem其中热力学电势以及膜和扩散层的欧姆过电势分别表示为15085103边界条件在计算域的方向上两边界面所有物理量均取对称边界条件
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第５卷 ８
第 ６ 期
化
工 Leabharlann 学 报 （ ｉａ Ｃｈｎ ）
Ｖｏ１ ８ Ｎｏ ．５ ．６
２０ ０ ７年 ６月
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｏ Ｃｈ ｍｉａ Ｉ ｄ ｓｒ ａ ｄ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｏ ｒ ａ ｆ ｅ ｃ ｌ ｎ ｕ ｔｙ ｎ ｇｎ ｅ ｉｇ
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制 和 膜 内 水 迁 移 对 电池 性 能 的影 响 进 行 了分 析 和讨 论 。结 果 表 明 ，流 道 的 交 指 型 设 计 加 强 了 气 体 在 多 孔 介 质 内 的质 量 传 递 ，提 高 了 电 池 的 输 出 性 能 ，但 相 应 地 ， 阴 极 催 化 层 界 面 水 分 的 减 少 也 使 得 膜 的 水 合 程 度 降 低 ， 这 就 需要更有效的水管理来防止膜脱水 。