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
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
4、inlet-c设置
- 指定入口inlet-c的质量流量为5e-6 kg/s
5、outlet-a及outlet-c设置
注:这里也可以outlet-a与outlet-c一起设置
2.5 求解设置
2.6 Controls设置
2.7 初始化计算
2.8 迭代计算
3 计算结果
- 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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