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笫29巷第6期 计 算 物 理 VoI29No6
CHINESE OFCOMPUTATIONAL Nov
2012年11月 JOURNAL PHYSICS 2012
文章编号:1001-246X(2012)06-0815-08
直流道PEMFC两相流数学模型
刘训良, 楼国锋, 温 治
‘北束科技大学机械I:稳学院热能丁程系.北京100093
摘要:建市直流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)一维非等温两相流数学模型,基于质子交换膜与气体之间的水
分传递特征.综台考虑电渗、浓度扩散及电化学反应作用的影响.发展r膜电极水分传递的非平衡扩散模型井自
主开发程序代码对电池内复杂的多物理场耦合传递过程进行数值模拟.研究PEMFC电极内气态水、液惑水分布、
质子膜含水垃分布和水迁移特性等.分析单电池内部的温度分布特征,并获得电池极化性能曲线
关键词:质子交换膜燃料电池;两相流;数学模型
911
中图分类号:+rM 文献标识码:A
0 引言
近年来,关于质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部水管理问题的研究一直未中断,至今仍然是研究热点
之一.早期关于水传递的模型基本E都是在等温条件下的半经验模型…,未考虑相变的影响.后来发展的模
一步改进模型以考虑瞬态影响及非等温效应”“1.Mazumder和Cole
的两相流模型….国内的研究者大多基于多相混合模型”研究PEMFC内部的两相流”0。”】,有些则是通过
建立液态水输运模型进行二维模拟”””,未涉及流道区域.
本文在前期工作”的基础E,进一步考虑水分在质子膜中的传输以及电极中液态水的影响,采用非平
衡扩散模型描述膜电极内的水分传递过程,发展了三维两相流数学模型.
1 PEMFC的三维两相流数学模型
直流道PEMFC单电池如图I所示,在单电池中可取一个典型单元作为代表来研究,即模型的计算区域
如图中虚线所围部分本模型采用如下假设:1)过程
处于稳态;2)气体扩散层、催化剂层为均相多孔介质,
继flIc扳
而质子交换膜对气体是不可渗透的,只允许水分和质 刚极’L体流逆
刚极扩敞屡
子的通过;3)流道中不存在液态水,液体水的分布和 日I极性化屡
质了堂换l|5l
运动局限于MEA组件(电极和质子交换膜)中;4)氢 Ⅲ极’L体流通
气、氧气和氮气在液态水中的溶解忽略不计;5)电极
内部气体、液体和固体骨架之间处于热平衡状态;6)
■
忽略气体扩散层的电阻和电池内部的接触电阻.
图1直流道PEMFC的示意图
1.1 多组分气体流动与传质模型
l SketchofPEMFCwith flowchannels
Fig straight
连续性方程为
收稿日期:2012—02—07;修回日期:2012—04—09
基金项目:闰家r1然科学基金资助项日
作者简介:刘训良(1973一),男.山东.博1:
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