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进气速度对交指HT-PEM燃料电池性能的影响.docx


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进气速度对交指HT-PEM燃料电池性能的影响
摘要:目的研究高温质子交换膜(HT-PEM)燃料电池在不同进气速度下 的性能差异。方法改进一个耦合气体流道和气体扩散层的三维、两相、多组 分HT-PEM燃料电池模型,考虑4种进气速度对燃料电池为速度矢量; 程中的源项.
2. 1. 3动量守恒方程
在流道与多孔介质中,动量控制方程一般形式为
那籍“)+ V- (fp U U)= 一 £ Vp + ot
V•(平 VG+S“. (4)
式中:右边第一项是扩散项,右边第二项也为 扩散项,右边第三项是动量原项;左边第一项 代表非稳态项, M为黏度;S“为动量原项;&代表多孔介质中 的孔隙率;P为压力.
2.
气体在PEM燃料电池中的扩散方程为
V•(卬”吗)=-VN+Se (5) 式中:叫为物质d的质量分数;d可以代表 氢气(玦)、氧气(。2)、气态液态水(H2o), 同时也亦可以代表氮气(N2);Sm,e为物质e 相关的物质原项;刀为扩散通量.
JA的扩散通量表达式为
Jd= - &p〃d、• ⑹
式中:Qd代表着物质扩散系数.
2电池电流电压关系式
燃料电池中电压的计算为式为
U。= 5(/ +)+ 9. (7)
式中",由于在实 际的使用情况中,电池内有着不可逆损耗,其 电池的相关实际工作电压为
^ceii =uo -y -yoiaa- (8)
式中:77为过电位,其中包含了浓度极化以及 活化极化.
R—+)i r J(x,y)] 站\
E =— —叫加(叼)卜⑼ 式中;F为法拉第系数;A为气体系数;
为当地相关的电流密度量;J。为交换 电流密度;为当地相关的氧气分压量; &成为欧姆极化,其是由于电池内部的电阻 引起的量.
其中欧姆极化的量值为
%hmG,>)=Kx,y) Rm. (10)
式中:/为电流;氏,为膜电阻.
3结果与讨论
1极化曲线
图2为交指流场在453. 15K温度下的极化曲线。方案A代表氧气的进气
,氢气的进气速度为lm/s;方案B代表氧气的进气速度为
0. 8m/s,氢气的进气速度为2m/s;方案C代表氧气的进气速度为1. 6m/s,氢 气的进气速度为4m/s;方案D代表氧气的进气速度为6m/s,氢气的进气速度
为 15m/so

图2四种进气速度的极化曲线
Fig. 2 The polarization plot of four kinds of inlet velocity
分析图2可以得出,在燃料电池电压相同的情况下,电流密度的大小依 次是方案D,方案C,方案B,方案A,在燃料电池工作电压量一定的情况下, 质子交换膜燃料电池关于输出功率值和电流密度呈正比关系,可知燃料电池 的性能方案
D最好,而方案A最差。此时进气速度的大小也依次是方案D,方 案C,方案B,方案A,可知提高进气速度可以有效地改善燃料电池的性能。 但当氧气的进气速度由1. 6m/s增至6m/s,氢气的进气速度由4m/s增至15m/s 时,HT-PEM燃料电池的输出功率基本相同。这是由于当进气速度增大时,氢 气氧气在流道中的流量和流速也在不断增大,即氢气和氧气在气体扩散层中 的扩散率也在不断加大。但由于催化剂的催化速率是一定的,所以当气体流 速由方案C增至方案D时,电池的输出功率并未出现增加。而气体流速由方 案A增加到方案C时,输出功率随着进气速度的增大也在不断增加。结合实 际应用,可以得出最为经济的实用速度为方案C。
3. 2阴极流道中氧气浓度的变化分析
图3为关于4种方案下阴极流道中氧气浓度变化的模拟图。氧气沿左下 方入口流入流道,再由右上方出口流出流道。阴极氧气浓度变化模型取值面 是沿着电池厚度方向,取阴极流道的中间面。
(c)方案C
H 气浓度 /(mol-m-*)
5
0
5
0
(b)方案B
氧气浓度7(mol*m,)

▼ (d)方案 D
图3阴极流道中氧气浓度变化
J 1

Fig. 3 The variation of oxygen concentration in cathode channel
对比图中4个阴极氧气浓度变化分布图可以发现,当氧气的进气速度由
0. 4m/s逐渐增加到6m/s,氢气的进气速度由lm/s逐渐增加到15m/s时,在
交指流道入口处,氧气的浓度由5. 44mol • nT,增至5. 54mol • nfL在流道的出
口处,氧气的浓度由0. 69mol • nf3增至4. 24mol • m'3o这是

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  • 时间2022-07-03