（轮机工程专业论文）质子交换膜燃料电池的热模拟及软件开发.pdf

武汉理工大学硕士孥位论文 中文摘要 燃料电池是解决能源短缺及环境污染的一项新能源技术，质子交抉膜燃料 电池( p e m f c ：p r o t o ne x c h a n g em e m b m a ef u e lc e l l ) 具有低噪音、零污染、无腐 蚀、寿命长、比功率高、能量效率高、安全稳定等特点而成为二十一世纪的开 发热点。p e m f c 的热模拟及软件开发是质子交换膜燃料电池研究的重要工作。 本文阐述了p e m f c 热模拟相关的数学模型，建立了= 维单流道、三维半 流道以及三维单流道的p e m f c 几何模型，应用于p e m f c 热模拟问题的分析和 讨论。 利用f l u e n t 软件基本模块中的流动、传质和传热功能，对二维单流道、三 维半流道模型进行了热模拟。结果表明，在0 6 a j e m 2 电流密度条件下，高温区 域主要存在于阴极催化层；横贯电极方向，膜电极组件的温度变化小于l k ：流 道下面位置的温度变化比岸下位置的温度变化更为明显。 应用f l u e n t 软件的p e m f c 模块，对三维单流道模型进行了热模拟，其包 括了流动、传质、。传热、电化学反应、水传递等模型。结果表明p e m f c 的主 要热源为化学反应热、极化热。热源的分布是不均匀的，化学反应热、活化极 化热、浓差极化热集中在催化层，而欧姆热大部分在质子交换膜。p e m f c 温度 场分布也是不均匀的，电池的最高温度发生在阴极进口段，流道下面位置的温 度高于岸下面位置。质子交换膜燃料电池的温度场不均匀程度，随着电流密度 的增加而加大，在低电流密度下，温度场可近似认为是均匀的。经过比较， p e m f c 模拟的性能曲线与试验测试的曲线基本吻合。 测试和评价了f l u e n t 软件并行性能，结果表明f l u e n t 在高性能计算机集群 的硬件条件下具有更好的并行性能，其1 6 个c p u 的加速比达到了1 1 。采用 f l u e n t 提供的用户自定义方法，进行了二次开发，提高了p e m f c 的模拟精度。 p e m f c 的热模拟及软件开发是p e m f c 模拟研究的两个重要方面，热模拟 为p e m f c 的热管理、冷却系统设计提供科学依据；软件开发进一步完善了 p e m f c 模拟软件的相关功能，为p e m f c 的研究提供更精确的模拟工具。 关键词：质子交换膜，燃料电池，温度场，热模拟，并行计算 武汉理工大学硕士学位论文 f u e lc e l li san e we n e r g yl e a o u r p z s t e c h n o l o g yt o s o l v et h ee n v i r o n m e n t p o l l u t i o na n d t h el a c ko f e n e r g yl e s o u r c 嚣1 1 1 ep r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l l 0 4 e m f c ) h a sb e c o m et h eh o t s p o to fn e we n e r g yr e s o u r c e sa n dp o w e rt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ti nt h et w e n t y - f i r s tc e n t u r yb e c a u s ei t sa d v a n t a g e s ，s u c h 船l o wn o i s e ， z e r op o l l u t i o n ，w i t h o u te r o d i n g ，l o n gl i f e t i m e ，h i g hp o w e r d e n s i t y , h i g he f f i c i e n c y , s a f e t y , s t a b i l i t ya n ds oo nt or e s e a r c ho fp e m f c ，t h e r m a lm o d e l i n ga n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n to f p e m f c a r et h ei m p o r t a n t a s p e c t s i nt h i sa r t i c l e 。t h em a t h e m a t i cm o d e l sr e l a t e dt op e m f ca l ee x p a t i a t e d ，a n da t w o _ d i m e n s i o nm o d e lw i t h s i n g l e c h a n n e l at h r e e d i m e n s i o nm o d e lw i t h s e m i c h a n n e l ，at h r e e - d i m e n s i o nm o d e lw i t hs i n g l ec h a n n e la r eb u i l d ，w h i c ha r e a p p f i e d t oa n a l y z ea n dd i s c u s st h et h e r m a l q u e s t i o n s 1 1 璩b a s i cf u n c f i o m i n c l u d i n gt h ef l o w , m a s s - t v d n s f c ra n dh e a t - t r a n s f e ri nf l u e n t a r ea p p l i e dt ot h et w o d i m e n s i o nm o d e lw i t l ls i n g l ec h a n n e la n dt h et h r e e - d i m e n s i o n m o d e lw i t l ls e m i c h a n n e l t h er e s u l t ss h o wt h a tz o n eo f h i g ht e m p e r a t u r ee x i s t si n t h ec a t a l y s to f 删t h o d e ；t h et e m p e r a t u r eo fm e m b r a n ee l e c t r o d ea s s e m b l e di sl o w e r t h a n1ka n dt h et e m p e r a t u r eu n d e r s i d et h ec h a n n e l c h a n g e sm o r eo b v i o u s l y t h a nt h e b a n k i n t h ee e l i n l ep e m f cm o d u l eo ff l u e n t w h i c hi n v o l v e st h e f l o w , m a s s t r a n s f e r , h e a t - t r a n s f e r , e l e c t r o c h e m i s t r y , w a t e r - t r a n s f e r , i su s e di nt h r e e d i m e n s i o nm o d e l w i t h s i n g l ec h a n n e lt o s i m u l a t e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i nh e a ts o u r c e sc o n s i s to f c h e m i c a lr e a c t i o n sh e a ta n d o v e r - p o t e n t i a lh e a t t h cd i s t r i b u t i o n so f h e a t s o u r c e sa r e u n e v e ni nc e l l ，a n dc h e m i c a lr e a c t i o n sh e a ta n do v e r - p o t e n t i a lh e a ti si nt h ec a t a l y s t l a y e gb u t t h eo h m sh e a te x i s t si nm e m b r a n e m o s t l y n l et e m p e r a t u r ef i l e di su n e v e n c i t h e r n l em a x i m a lt e m p e r a t u r ei si n 血ei n l e to fc a t h o d ea n dt h et e m p e r a t u r e u n d e r s i d et h ec h a n n e lh i g h e rt h a nt h eb a n ki nt h ec e l t t h e t e m p e r a t u r e f i e l d b e c o m e sm o r eu n e v e nw i t ht h ec u r r e n td e n s i t y sr i s e ；t h et e m p e r a t u r ef i e l di st r e a t e d a se v e ni nc a s eo ft h el o wc u r r e n td e n s i t y t h ep e r f o r m a n c ec u r v e sf r o ms i m u l a t i o n l l 武汉理工大学硕士学位论文 a r cc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a n d t h e ya g r e e w e l l t h es p e e d u pp e r f o r m a n c eo ff l u e n ti nt h ep a r a l l e l c o m p u t i n gi s t e s t e da n d e v a l u a t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tf l u e n th a v et h eb e t t e rp a r a l l e lp e r f o r m a n c ei n t h eh i g hp e r f o r m a n c ep a r a l l e lc l u s t e ra n di t ss p e e d u pr a t ea r r i v e sa t1 0u n d e r1 6 c p u s t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h 砒i sb a s eo nt h eu s e rd i f i n e df u n c t i o no ff l u e n t i n c r e a s e sp r e c i s i o no f t h es i m u l a t i o n t h et h e r m a ls i m u l a t i o na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to f p e m f ca r ot w oi m p o r t a n t a s p e c t so fs t u d y i n gp e m f c ，w h i c hg i v eas c i e n t i f i cg u i d ea n ds o i = i 、v a r es u p p o r t i n g t ot h et h e r m a l m a n a g e m e n to fp e m f c s o f t w a r ed e v e l o p m e n tw i l lp e r f e c t t h e f u n c t i o no f p e m f ca n d p r o v i d e i tw i t ham o r e p r e c i s e t 0 0 1 k e y w o r d s ：p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ，f u e lc e l l ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a l m o d e l i n g ，p a r a l l e lc o m p u t i n g 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章将介绍质子交换膜燃料电池热模拟及软件开发的课题背景、与本课题 相关的国内外文献综述以及本文的研究工作。 1 1 课题背景 1 1 i 质子交换膜燃料电池 燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能持续转化为电能而电极电解质 体系基本保持不变的新的能源动力转换系统，它首先由英国人格罗夫( w i u a m g r o v e ) 在1 8 3 9 年研制成功。被认为是继火力、水力和核能发电之后有希望大量 提供电力的第四种发电技术。燃料电池按使用电解质的不同可分为：磷酸型燃 料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池及质子交 换膜燃料电池( p e m f c ：p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ) 等。 质子交换膜燃料电池的最初构想由g r u b b 于1 9 5 9 提出，首先由美国航空航 天局( n a s a ) 和通用电气公司( g e ) 联合开发成功【l 】。与传统能源动力相比， p e m f c 因具有低噪音、零污染、无腐蚀、寿命长的特点和工作电流大、工作温 度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑、开发投入相对较少等优 点，成为了世界上燃料电池开发的热点【2 】【3 】因而p e m f c 被认为是继蒸汽机和 内燃机之后的具有能源革命意义的新一代能源动力系统。许多国外著名汽车公 司都参与了质子交换膜燃料电池电动车的研究，如曰本的丰田汽车公司、德国 的大众汽车公司、美国的通用汽车公司等等：在国内也有许多公司，如东风汽 车公司、上海神力公司等。据国内专家估计，燃料电池发动机将在二十一世纪 的中叶成为主要的动力系统。 p e m f c 的结构如图1 1 所示，其中： ( 1 ) 质子交换膜( p e m ：p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ) 是一种电解质，兼有隔 膜和电解质的作用。氢氧混合极易发生爆炸，其隔膜作用就是阻止阴阳两极气 体之间相通：其电解质的作用仅使质子通过，而使电子受阻。质子交换膜材料 多为全氟磺酸型固体聚合物，酸分子固定在聚合物上，不能自由移动，酸分子 武汉理工大学硕士学位论文 上的质子却可自由地通过电解质迁移，其典型厚度为0 0 5 m m 0 1 8 m m 。 ( 2 ) 催化层是进行电化学反应的区 域，其内部结构粗糙多孔，因而有足够的 比表面积以促进氢气和氧气的电化学反 应。催化剂是一种促使氧气和氢气发生反 应的特殊物质，为p t 或p t c 。 ( 3 ) 扩散层是导电材料制成的多孔 台成物，燃料气体通过其到达催化层表 颟，并且对反应气的均匀性起到很重要的 作用，通过优化计算可以设计最佳的扩散 层结构特点。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p f m f c 的膜电极组件 ( m e a ：m e m b r a n ee l e c t r o d ea s s e m b l y ) ， 其电极部分包括气体扩散层和催化层。 图1 1p e m f c 的结构示意图 ( 4 ) 流场板是燃料和氧化剂的通道，是扩散层与配气总管的衔接，对气体 分配起到再均匀化的作用，流场板根据结构的不同可以分为直流场、蛇形流场、 交指形流场、点状流场等。在电堆中，氢气流场板和氧气流场板背对背制作在 一起，即为双极板。 ( 5 ) 集流板是用来收集电子，是电极与外电路之间的电流通道。 质子交换膜燃料电池的工作原理是，当阳极和阴极分别供给氢气与空气时， 反应气体经扩散层扩散，进入催化层，在催化层发生电化学反应；其中阳极的 氢原子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴 极，而电子经由阳极电极、阳极集流板、外电路、阴极集流板、阴极电极到达 阴极催化层，并且在阴极催化层与氢离子、氧原子结合成水分子。因而，质子 交换膜燃料电池的化学反应为： 阳极反应：h 2 专2 h + + 2 e 1 阴极反应： o ，+ 2 h + + 2 e 一寸h ，o + 热 2 。 1 电池总反应：h ，+ 喜o ，一h ：o + 电力+ 热 2 武汉理工大学硕士学位论文 由总反应式可看出，质子交按膜燃料电池唯一的爵i 产物是纯水。 图1 2 质子交换膜燃料电池堆组成示意图 质子交换膜燃料电池堆，由单电池通过串连的方式组成( 如图1 2 ) 。质子交 换膜燃料电池的单电池电压一般为o 7 v ，功率为o 6 w c m 2 ，实际使用的质子交 换膜燃料电池多为质子交换膜燃料电池堆，即由多个单电池在电流上为串连， 在气路上并联的电池组，此时，阴极流场板和阳极流场板“背对背”合二为一 即为双极板，双极板的一侧流氧气( 空气) ，另一侧流氢气，双极板兼有导流和 导电作用。有时根据实际电流、电压和功率需要，实施多个电池组电路上的串、 并组合。 图1 - 3 电池堆系统示意图 武汉理工大学硕士学位论文 质子交换膜燃料电池堆投入使用前，还要附加一套控制、冷却、供排气、 加湿和辅助蓄电池系统，组成一个电池堆系统。并且对质子交换膜燃料电池堆 进行合理有效的水、热、气管理，并且设置合适的运行参数，才能得到实用电 源，典型的质子交换膜燃料电池堆系统如图l - 3 所示。 1 1 2 质子交换膜燃料电池的热模拟与热管理 质子交换膜燃料电池是一个多相、多尺度、多物理场、动态复杂系统。对 于整个系统而言，各个关键技术的研究和解决都将对质子交换膜燃料电池的发 展产生影响。质子交换膜燃料电池的热模拟与热管理，对于燃料电池基础性研 究和性能改善具有很大的意义，特别是燃料电池堆的热管理。单电池和燃料电 池堆都是一个复杂系统，鼠然两者的研究方法和研究手段有很大差别，但是两 者密不可分，电池堆的熟模拟和热管理是基于单电池的热模拟和分析。 在质子交换膜燃料电池计算机模拟中，一般假设电池运行在等湿的条件下， 因而不考虑电池内部的由于电化学反应不均匀而产生的温度不均匀性。在模拟 的过程中，不考虑温度变化对其他参数的影响。 目前的设计中，p e m f c 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，p e m t c 产生的热能约占总能量的5 0 t 4 1 。由于燃料电池 的运行温度和环境温度相比，只有较小的温差；在实际设计过程中，在质子交 换膜燃料电池堆中增加冷却流道，用于强化燃料电池的散热效果。有效的进行 热管理是保证燃料电池正常工作的一个重要环节。 1 1 3 质子交换膜燃料电池的模拟软件及其二次开发 质子交换膜燃料电池计算机模拟是研究质子交换膜燃料电池内部各种物理 场的分布规律，以及各种运行参数对其性能影响的有效方法和途径。现在，国 内外有许多研究人员。正在应用各种计算机模拟软件，对质子交换膜燃料电池 进行计算机模拟分析。特别是，一些c f d ( c o m p u t a t i o n a l f i a i dd y n a m i c s ) 商用软 件公司正在开发，甚至推出专门的质子交换膜燃料电池模块，f l u e n t 公司是其 中比较成功的一家。质子交换膜燃料电池计算机模拟与试验研究相结合，将推 进p e m f c 研究的进一步发展。 武汉理工大学硕士学位论文 质子交换膜燃料电池的模拟软件是进行计算机模拟的必要条件。模拟软件 的二次开发是质子交换膜燃料电池模拟持续发展的保证。质子交换膜燃料电池 研究正处在发展阶段，一些新的模型、新的结构将会出现、甚至新的物理现象 也有可能被发现：而对这些新的问题进行模拟，就需要对模拟软件进行二次开 发，以适应研究工作的需要。 1 2 文献综述 1 2 1 燃料电池及其研究 文献 s - 1 2 集中讲述了质子交换膜燃料电池的概念、组成部分、分类、发 展前景、电池性能的影响因素以及进一步研究与开发的关键技术。文献f 1 3 】介 绍了质子交换膜燃料电池流场板的种类、通过比较的方法对各种流场板的设计 思想以及其对燃料电池的性能影响做出分析和总结，指明多流道蛇形流场板为 较理想的流场板。文献 1 4 】介绍质子交换膜燃料电池新型结构以及其设计的出 发点，给我们在电池结构重新设计和结构优化中提供了可以参考的方法和思路。 文献 1 5 】【1 6 】详尽介绍质子交换膜燃料电池从1 9 6 0 年到2 0 0 0 年，在这4 0 多年 的时间里，宏观控制和微观机理试验研究、燃科电池模型的发展与优化、燃料 电池性能影晌因素研究及应用以及燃料电池在工业、商业应用等方面的进展。 文献 1 7 】介绍质子交换膜燃料电池多孔阴极的水传输。文献 1 8 】研究了气流通道 间隔对质子交换膜燃料电池电流的影响。文献 1 9 】提到质子交换膜燃料电池膜 电极活化对电池性能的影响。文献 2 0 】分析了影响质子交换膜燃料电池中氧气 浓度的因素。文献 2 1 】介绍甲醇质子交换膜燃料电池的水、热管理。文献 2 2 】 介绍美国p e n n s y l v a n i a 州立大学的c y w a n g 等和s a n d i a 国家实验室的 z h 、w a a g 等对质子交换膜燃料电池系统建立了多学科的综合模型，对流场、电 流分布问题等的研究。文献( 2 3 】介绍新加坡南洋理工大学的s h 、c h a f l 对质子交 换膜燃料电池的研究。 i 2 2 质子交换膜燃料电池模拟计算 文献 2 4 儿2 5 】介绍质子交换膜燃料电池的数学模型和仿真模拟方法。文献 2 6 介绍质子交换膜燃料电池的水和热管理模型。文献 2 7 3 0 集中讲述了质子 武汉理工大学硬士学位论文 交换膜燃料电池水传递现象和分析模型。文献【3 1 】介绍了阴极水淹情况的变化 对燃料电池性能影响的电池模型以及应用。文献【3 2 】 3 3 】介绍了质予交换膜燃料 电池扩散层对燃料电池性能影响的模拟和优化。文献【3 4 】介绍了质子交换膜燃 料电池阴极的二相流和传输模型。文献【3 5 】【3 6 】介绍了交指型质予交换膜燃料电 池阴极模拟的数学模型和仿真模拟方法。文献【3 7 】介绍了质子交换膜燃料电池 沿流道的计算模型。文献 3 8 】介绍了质子交换膜燃料电池的三维传输计算模型。 文献 3 9 】介绍了质子交换膜燃料电池电气性能实验与建模研究。文献【4 0 】介绍了 质子交换膜燃料电池及其发电系统模拟。文献【4 l 】分析了燃料电池持续生电能 力，随负载变化的响应能力。文献 4 2 】介绍了质子交换膜燃料电池稳态电化学 模型。文献 4 3 】综述了质子交换膜燃料电池堆的数学模型。文献【4 4 】介绍了质子 交换膜燃料电池堆的三维数学模型和仿真模拟方法。 1 2 3 热模拟和热管理 文献【4 5 】认为避免p e m f c 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p e m f c 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。文献 4 6 1 ，通过f u l l e r 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。文献 4 7 ，4 8 】 讨论了质子交换膜燃料电池中温度沿流道长度方向变化。在文献 4 7 】中，y i 等 建立了p e m f c 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。在文献【4 9 】中，d a n n e n b e r g 假设电池温度仅沿流遒方向变化，采用s t e f a n - m a x w e l l 方程和简化的 b u l t e r - v o l u m e r 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。在文献【5 0 】中，c o s t a m a g n a 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。文献 【5 1 认为，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。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。现 在，国内外的热管理方面研究主要集中在燃料电池堆，文献【5 2 】研究了燃料电 池堆最高、最低温度的发生位置。文献【5 3 】研究了质子交换膜千稠机理，认为 6 武汉理工大学硕士学位论文 影响p e m 内传热和湿化的主要因素是：( 1 ) p e m 固体骨架上的产热率；( 2 ) 工 作流体的流率：( 3 ) p e m 两边催化层中流体的压力和温度。 文献 5 4 1 分析了有限单元法的理论以及其在传热与传质中的应用。文献 【5 5 6 i 】介绍一般的传热传质原理、多孔介质中的传质传热机理以及传质传熟 的模拟方法；为分析反应气在流道中的流动以及在扩散层、中间层和催他层的 传热、传质、两相流等问题的模拟和分析提供了理论基础和方法。文献 6 2 1 1 6 3 1 介绍流体力学的理论与计算方法。 1 2 4 质子交换膜燃料电池的软件及其开发 目前，应用与质子交换膜燃科电池计算机模拟的软件主要有：f j u e n t 、 s t a r - c d 、c f x 。质子交换膜燃料电池功能模块是在各自软件的c f d 功能模块 的基础上，通过二次开发实现。下面将对相关软件进行介绍和比较。 ( 1 ) f l u e n t 软件 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率为 6 0 。与流体，热传递及化学反应等有关的工业均用它进行相关模拟分析。它 具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、 汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然 气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散聚积、 多相流、管道流动等等。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各 种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法，l 三i 期在 特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地 解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发了适用于各个 领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其 它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面， 而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。 ( 2 ) s t a r c d 软件 s 1 t a r c d 是s i m u l a t i o no f t u r b u l e n tf l o wi na r b i t r a r yr e g i o n 的缩写，c d 是 c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c sl t d 。它是基于有限容积法的通用流体计算软件，在网 格生成方面，采用非结构化网格，单元体可为六面体、四面体、三角形界面的 武汉理工大学硕士学位论文 棱柱。金字塔形的锥体以及六种形状的多面体，还可与c a d 、c a e 软件接口， 如a n s y s ，i d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n ，i c e m c f d ，g r i d g e n 等，这使 s t a r - c d 在适应复杂区域方面拥有特别的优势。从它的网格单元，就可看出它 与其他求解器的一些差别，当然现在大多数商用的求解器都引入了非结构化网 格，而s t a r - c d 在早期的版本中就有了。 不过，s t a r - c d 求解器虽然网格适应性强，但是它的翦处理器做得太差， 以致于普通用户享受不了它的优势；不像f l u e n t 有一个对于普通用户来说已经 足够强大的非常易于上手的前处理器g a m b i t ，所以大家都愿意学f l u e n t ；而 s t a r - c d 的网格优势需要通过第三方软件体现出来，如i c e m c f d 生成的网格 或者另外购买它的其他网格处理软件，如果你拥有这些软件，你会发现 s t a r - c d 也非常好用。s t a r - c d 能处理移动网格，用于多级透平的计算，在 差分格式方面，纳入了一阶u p w i n d 、二阶u p w i n d 、c d s 、q u i c k 以及一 阶u p w i n d 与c d s 或q u i c k 的混合格式，在压力勰合方面采用s i m p l e ，p i s o 以及称为s i m p l o 的算法。在湍流模型方面，有k 一8 、r n t 3 k - 、k - e 两层等 模型，可计算稳态、非稳态、牛顿、非牛顿流体、多孔介质、亚音速、超音速、 多相流等问题。s t a r - c d 的强项在于汽车工业，汽车发动机内的流动和传热。 ( 3 ) c f x 软件 c f x 是由英国a e a 公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟 流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现 象简单而几何形状复杂的问题。适用于直角柱面旋转坐标系、稳态，j 稳态流 动、瞬态滑移网格、不可压缩，弱可压缩可压缩流、浮力流、多相流、非牛顿 流体、化学反应、燃烧、n o x 生成、辐射、多孔介质及混合传热过程。c f x 采 用有限元法、自动时间步长控制、s i m p l e 算法、代数多重网格、i c c g 、l i n e 、 s t o n e 和b l o c ks t o n e 解法。能有效、精确地表达复杂几何形状，任意连接模块 即可构造所需的几何图形。在每一个模块内，网格的生成可以确保迅速、可靠 地进行，这种多块式网格允许扩展和变形，例如计算气缸中活塞的运动和自由 表面的运动。滑动网格功能允许网格的各部分可以相对滑动或旋转，这种功能 可以用于计算牙轮钻头与井壁间流体的相互作用。 c f x 引进了各种公认的湍流模型，例如：k 模型、低雷诺数k 一模型、 r n g k 模型、代数雷诺应力模型、微分雷诺应力模型、微分雷诺通量模型等。 c f x 的多相流模型可用于分析工业生产中出现的各种流动，包括单体颗粒运动 武汉理工大学硕士学位论文 模型，连续相及分散相的多相流模型和自由表面的流动模型。 质子交换膜燃料电池是个多相、多尺度、多物理场、动态的复杂系统。 质子交换膜燃料电池计算机模拟根据模拟问透的复杂性及其目标，可以选用不 同的软件。对于复杂的问题，如质子交换膜燃料电池内部电流密度分布、温度 场分布、水的传输机理等等研究，则需要功能强大，并且具有友好的二次开发 平台的软件来支持。上面所述软件，均有研究人员将其应用于质子交换膜燃料 电池的计算机模拟分析，但是应用的程度以及其在质子交换膜燃料电池模块的 开发阶段而言，f l u e n t 公司具有很强的竞争力。就目前丽言，f l u e n t 已经推出了 专门的用于质子交换膜燃料电池模块。并且已经取得很好的模拟结果。 采用f l u e n t 软件用于燃料电池模拟和分析，f l u e n t 软件的帮助文档中详细 地介绍了燃料电池计算所需的模型理论和有限体积法原理；提供的算例可以使 用户在很短的时间里熟悉和掌握软件，并且提供及时有效地在线帮助；u d f 功 能提供了特殊用户对模型和算法进行自定义的需要，可以对软件进行二次开发。 f l u e n t 公司开发的p e m f c 模块，已经可以满足质子交换膜燃料电池计算机 模拟的大部分需要；但是，其仍然存在着定的不足，例如p e m f c 模块适用 的几何模型仅仅限制于七层，这就限制了用户对质予交换膜燃料电池结构进行 优化的需要。 1 3 本文工作 质子交换膜燃料电池的热模拟是一项十分重要的研究方向，为进行有效热 管理和系统控制的理论指导。本文从易到难，从简单问题到复杂问题，进行了 质子交换膜燃料电池的热模拟。同时，对f l u e n t 软件的并行效率进行了测试和 评估；应用f l u e n t 软件提供的用户自定义方法，对质子交换膜燃料电池的反应 气消耗和热量生成进行了用户自定义( u d f ：u s e rd e f i n e df u n c t i o n ) ，使得质子 交换膜燃料电池热模拟的结果更与实际情况相符。 1 3 1 质子交换膜燃料电池的热模拟模型 质子交换膜燃料电池的热模拟，是基于一定的理论基础和数学模型而开展 的研究工作。因此。本文首先对质子交换膜燃料电池的热模拟模型进行了综合 描述，其主要包括为质子交换膜燃料电池的工作机理、数学摸型、几何模型。 9 武汉理工大学硕士学位论文 其中，质子交换膜燃料电池的工作机理进行了简单的介绍，重点对质子交换膜 燃料电池的数学模型进行了详细的说明和分析，并且包含了f l u e n t 公司最新发 布的质子交换膜燃料电池模块中的数学模型。几何模型是根据实验室研究的发 展过程以及实验室试验的要求进行适当的处理，并用于对不同复杂程度的热问 题进行分析。 1 3 2 二维的单流道热模拟 = 维的单流道热模拟，虽然结构简单、假设较多，但是其模拟的结果对于 理解p e m f c 的工作机理、温度场分布等都提供了很多科学依据。本文通过建 立的二维质子交换膜燃料电池模型；对其在三种不同工作条件下进行了模拟， 并分析了二维空间上的温度场分布和温差。 1 3 3 三维的半流道热模拟 三维的半流道热模拟是基于二维的单电池热模拟基础上提出和进行的工 作，是对更为复杂的问题进行更全面的模拟。本文在三维的半流道模型上模拟 了稳态条件下，工作电压为o 6 v ，工作电流密度为0 6 a c m 2 的电池，对其温度 场以及温度变化进行了分析和讨论。 1 3 4 三维的单流道热模拟 三维的单流道热模拟，根据电池运行条件的不同，分为三个系列，通过计 算机模拟，得出了相应系列的质子交换膜燃料电池性能曲线；并且，就质子交 换膜燃料电池内部的热源分布、温度场分布、性能曲线以及三者之间的关系进 行了分析和讨论。 1 3 5f l u e n t 软件及其二次开发 本文在充分理解f l u e n t 软件的基础上，对f l u e n t 软件功能中的并行计算进 行了测试和评价；通过f l u e n t 软件提供的u d f ，进行了相关的二次开发。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章质子交换膜燃料电池的热模拟模型 在本章中，将对质子交换膜燃料电池的热模拟模型进行综合描述，其主要 内容为质子交换膜燃料电池的工作机理、数学模型、几何模型。其中，质子交 换膜燃料电池的工作机理进行了简单的介绍重点对质子交换膜燃料电池的数 学模型进行了详细的说明和分析，并且结合了f l u e n t 公司最新发布的质子交换 膜燃料电池模块中包含的数学模型。另外，从二维到三维，从简单到复杂，建 立了二维的单流道模型、三维的半流道模型和三维的单流道模型。 2 1 工作机理 燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的化学能直接转变为电能的设旌。 质子交换膜燃料电池的电化学反应机理如式( 2 1 2 3 ) 所示，即阳极的氢气通过 气体扩散作用通过扩散层，到达催化层，在三相界面上，通过铂的催化作用， 分解为质子和电子，并且吸收热量；质予通过质子交换膜到达阴极催化层，而 电子通过外电路。驱动负载，到达阴极催化层，在铂的催化作用下，进行阴极 反应，生成水和热量。 阳极：h ，斗2 h + + 2 e ( 2 - 1 ) l 阴极：2 h + + 妄0 2 + 2 e + _ h 2 0 ( 2 2 ) z t 总反应：h 2 + 0 2 _ + h 2 0 + f g 能+ 热能 ( 2 - 3 ) 质子交换膜燃料电池是一个多相、多尺度、多物理场、动态的复杂系统。 它包括以下传递现象4 1 ： ( 1 ) 多组分运输； ( 2 ) 流道中的对流换热； ( 3 ) 多热源的复杂传热； ( 4 ) 催化层中进行的电化学反应： ( 5 ) 反应气体在多孔介质中的扩散； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 固体骨架中的电子传递： ( 7 ) 质子交换膜中的质子传递； ( 8 ) 质子交换膜中的水传递； ( 9 ) 水的相变和两相流。 因此，质予交换膜燃料电池的机理虽然很简单，但是在其发生电化学反应 之前和之后，却要进行许多复杂的物理过程，而且这些过程能否顺利地进行， 对于质子交换膜燃料电池能否正常工作有很大的影响。 2 2 数学模型 质子交换膜燃料电池的数学模型可以分为两类：机理模型和经验模型。机 理模型是建立在比较合理的假设基础上，运用基本的传递和电化学反应方程， 以描述电池内部各部位的特征；模型需要多个方程进行联立，并运用数值计算 的方法进行耦合求解，其复杂程度和运算规模随所考察的参量不同而不同。经 验模型则相对比较简单，不考虑电池内部的结构参数，只是依据表观的伏安曲 线拟合出相应方程，但其能够在一定程度上从理论上解释电池的性能，可以有 效遣利用于商业化电池组的性能模型，为电池系统的开发提供依据。 经验模型比较简单，不涉及复杂的计算，计算值与实验室拟合较好，但所 得的参数仅仅针对某一特定的电池或者电池堆，也不能描述单电池或者电池堆 内的传递过程。机理模型能够描述流道、电极以及膜中复杂的传递现象，但是 模型中有些参数不易精确测定，在模拟极化曲线时也要做适当的调整。 在本文中，在一定的假设基础上，运用机理模型，对质子交换膜燃料电池 进行了热模拟和分析。对于不同的问题和不同的计算模型，其假设条件也不同， 具体相关的假设条件，将在各章节中具体说明。 2 2 1 连续方程 在假设流体为连续介质和低速流条件下，连续方程为 型a t + v - ( 印舀) = 咒 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，左边第一项为非稳态项。左边第二项为对流项，右边项为质量源项。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 其中p 、占、云、& 依次为密度、孔隙率、速度矢量、质量源项，其中根据 不同的计算域，对其进行分别求解。在不考虑水的相变的情况下，对于流道、 扩散层以及膜，均为0 ；而对于催化层，& 在阳极和阴极分别为 = = 一鲁渺，晶= + = 謦一渺 其中m 、f 、i 分别为摩尔质量、法拉第常数( 9 6 4 8 7c m 0 1 ) 、电流密度；下标 字母为组分或电极，、0 2 、d 、口、c 为氢气、氧气、水、阳极、阴极。 在f l u e n t 软件中。根据法拉第定理推出电流与反应气体消耗的关系，即 4 一p 一，得出下面的质量源项求解公式： = 一鲁渺，= 一鲁渺，= 等渺叫矿 式中水的源项包含了水的相变量，0 为水的相变率。 2 2 2 动量方程 对于牛顿流体，考虑了切应力和正应力，应用斯托克斯粘性定律推出动量 方程的形式为 掣仃( 聊) = 却再( 卯疗) 十鼠 ( 2 5 ) 式( 2 - 5 ) 中左边第一项为非稳态项，左边第二项为对流项；右边第一项和第二 项为扩散项，右边第三项为动量源项。其中p 、a 、占、瓯分别为压力、粘度、 孔隙率、动量源项。 式( 2 5 ) 是以矢量形式表示的动量方程通式：在流道中，s = 1 ，鼠= 0 则其 可以转化为三个坐标方向上的标量形式，即 z 方向： o ( f p s u u ) + 塑掣+ 警掣_ d i v ( 以g m d 小 ，墩 砂 出 。 ，( 2 6 ) 一f 丢c p + 詈。d 而，+ 昙c 以害，十号c 心塞，+ 丢c 以尝) 武汉理工大学硕士学位论文 誊蓑二鼍嚣0 矿0 1 , o ( 。o ，w ， ， 一+ 詈班聃昙c 磅峨矽+，j 鬻2v h 耄) 0 苏o u0 矗o v0 旁o w 一i 鲁( p + j 投d i + 磊魄官+ 面嫩+ 否啵旁i 2 2 3 能量方程 对于可以忽略粘性耗散作用的稳态的低速流，能量方程可以表示为 下o ( z p c p t ) + v ( 印c ，订) = v ( v r ) + ( 2 1 。) 式中，左边第项为非稳态项，左边第二项为对流项；右边第一项为扩散项， 右边第二项为能基源项。其中，岛、够、r 分别表示定压比熟、有效导热系 数、温度。畅为能量源项，可以通过反应热量通过与电流密度的关系进行求解， 其公式为 = li r ( - a f s ) + 卜 ( 2 1 1 1 ) 式中，考虑了化学反应热和活化过电位产生的热量，其在二维的热模拟和三维 的半电池热模拟中，进行了应用。其中、吃一r o 。, 。分别表示反应熵变、交 换电荷数和活化极化。其中避通过查阅文献 6 5 1 的数据表及计算碍，足