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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