采用格子 Boltzmann 方法模拟 PEM 燃料电池阴极内耦合传热传质与反应
流体动力学
2021-03-03 v1
摘要
采用多松弛格子 Boltzmann 方法模拟 PEM 燃料电池阴极中的流体、热量与组分输运及氧还原过程。考虑氧还原产生的热量及其对输运与反应的影响。针对多种电池工作电压、温度与流速,并取多孔介质性质(即渗透率、孔隙率与有效多孔介质扩散系数)的不同值进行模拟,以研究电极内的输运与运行特性。可见可获得的最大输出功率密度受质量输运速率限制。提高工作温度可获得电流密度小幅增加,但这导致产热速率上升。气体扩散层的渗透率与孔隙率在本次模拟取值范围内对性能无显著影响。反之,较高渗透率增强了多孔层内的热梯度。观察到最大电流密度随流速增大而显著提升。高流速伴随的较强对流促进催化剂层处组分与热量的更好输运,从而产生更大电流密度且热点形成几率更低。增大组分扩散系数也大幅提高了功率输出。此外,多孔介质中高扩散速率还改善了燃料利用率。本研究分析并展示了影响 PEM 燃料电池性能的各种运行与材料参数的作用,特别关注可提升最大可达功率密度。
引用
@article{arxiv.2103.01444,
title = {Simulation of Coupled Heat and Mass Transport With Reaction in PEM Fuel Cell Cathode using Lattice Boltzmann Method},
author = {M. Jithin and Saurabh Siddharth and Malay K. Das and Ashoke De},
journal= {arXiv preprint arXiv:2103.01444},
year = {2021}
}