基于流体传热的质子交换膜电解堆主流道优化OA

[目的]良好的水热管理是确保质子交换膜(PEM)电解堆各电解小室具有高一致性、高耐久性和高稳定性的重要手段.本研究旨在通过整堆数值仿真确定大尺度电解堆主流道的设计准则.[方法]为了确保PEM电解堆内部各电解小室物理场具备高层间一致性和高层内均匀性,采用多孔结构近似模拟含大量微流道的双极板(BPP),通过均质化假设有效降低了模型求解规模,建立了PEM电解堆非等温流体传热的降阶数值模型,进而采用自由和多孔介质流耦合模型分析了外部自由流道和阳极多孔传输层中的流场和温度场分布,对影响电解堆流场和温度场的结构(干道及歧管尺寸、歧管开孔数、堆叠层数)及运行参数(流量、面热功率密度)进行系统分析和优化.[结果]计算结果表明:干道尺寸、歧管开孔数、开孔总边长相对活性区边长占比ζ是影响各电解槽层内均匀性的主要因素,而歧管尺寸是影响电解堆层间一致性的主要因素.[结论]干道及歧管尺寸越大越有利于提高电解堆内部流场和温度场的均匀性,干道和歧管内径的具体尺寸设计应使流道内压降Δp_(cri)小于4.5 Pa,在空间条件允许的情况下,建议采用更小的Δp_(cri);歧管开孔数应大于4且ζ大于0.4;为确保反应区热量被及时带走,供水量安全系数S应大于等于3,且需保持与面热功率密度成正比.