Fluent PEM燃料电池单通道模拟研究

本案例利用Fluent中的PEM燃料电池模块仿真计算单通道逆流聚合物质子交换膜燃料电池。

注:本案例来自Fluent案例集。

1 问题描述


案例模拟的燃料电池结构如图所示。
 

下图所示为单直电道逆流式PEM燃料电池示意图。燃料电池在x、y和z方向上的尺寸分别为2.4×2.88×125 mm。膜电极组件的横截面积为2.4×125 = 300 mm2。
 

所有连续介质区域必须是流体类型,除了Collector可能是固体或流体区。为简单起见,建议将当前Collector设置为固体区域。
 

本案例包含的燃料电池结构如下图所示,包含9层结构。


而新版Fluent中能求解计算的燃料电池结构包含11层结构,多了两层多孔介质区域,如下图所示。


2 Fluent设置

  • 以3D、Double Precision模式启动Fluent
  • 读取网格文件pem-single-channel.msh.gz
     

计算模型如图所示。



包含7个流体区域和2个固体区域。


2.1 General设置

  • 缩放计算网格,最终尺寸如下图所示


2.2 激活PEM模型

  • TUI命令中输入define/models/addon-module 9加载PEM模型


  • 双击模型树节点Models > PEM Fuel Cell打开燃料电池设置对话框,激活选项Enable PEMFC,如下图所示


  • 进入Model标签页,如下图所示设置参数


  • 进入Parameters标签页,采用默认参数


  • 进入Anode标签页,如下图所示设置Current Collector为current-a


  • 如下图所示设置Flow Channel为channel-a


  • 如下图所示设置Porous Electrode为gdl-a


  • 如下图所示设置TPB Layer为catalyst-a


  • 进入Electrolyte标签页,如下图所示设置区域为membrane,并设置参数


  • 进入Cathode标签页,如下图所示设置Current Collector为current-c


  • 如下图所示设置Flow Channel为channel-c


  • 如下图所示设置Porous Electrode为gdl-c


  • 如下图所示设置TPB Layer为catalyst-c


  • 进入Reports标签页,设置Anode为wall-terminal-a,指定Cathode为wall-terminal-c,指定Electrolyte Projected Area为0.0003 m2,如下图所示


注:软件提示没有定义阴极微孔层与阳极微孔层,这里忽略掉。如果要定义微孔层,那么在建模的时候应当把这两个区域创建出来。

2.3 操作条件设置

  • 打开操作条件设置对话框,如下图所示,指定操作压力为200000 Pa


2.4 边界条件设置

1、wall-terminal-a设置

  • 指定边界wall-terminal-a温度为353 k,如下图所示


  • 进入UDS标签页,指定Electric Potential为Specified Value,设置其值为0


2、wall-terminal-c设置

  • 指定边界wall-terminal-c温度为353 k,如下图所示


  • 进入UDS标签页,指定Electric Potential为Specified Value,设置其值为0.75


3、inlet-a设置

  • 指定边界inlet-a的质量流量为6e-7 kg/s,指定流动方向为Normal to Boudnary


  • 指定温度为353 k,如下图所示


  • 指定组分h2为0.8,h2o为0.2


  • 如下图所示设置参数


4、inlet-c设置

  • 指定入口inlet-c的质量流量为5e-6 kg/s


  • 指定温度为353 k


  • 如下图所示指定组分O2为0.2,h2o为0.1


  • 如下图所示指定UDS参数


5、outlet-a及outlet-c设置

  • 设置出口outlet-a回流温度为353 k


  • 将边界outlet-a参数拷贝给outlet-c
注:这里也可以outlet-a与outlet-c一起设置

2.5 求解设置


  • 如下图所示设置求解参数


2.6 Controls设置

  • 设置求解控制参数


  • 打开高级设置选项,如下图所示设置参数


2.7 初始化计算

  • 如下图所示进行初始化



2.8 迭代计算

  • 如图所示设置迭代参数




3 计算结果

  • 创建等值面z=62.5mm


  • 创建等值面x=1.2 mm



  • z=62.5 mm面上电流密度分布如图所示


  • 查看x=1.2mmmain上氧气质量分数


  • 氧气浓度分布如下图所示


  • 求解wall-teminal-a面上电流密度,可以查看其值为-0.9567 A/m2


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