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

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用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的方法。首先，介绍了案例模拟的燃料电池结构，包括9层结构。接着，详细介绍了Fluent的设置过程，包括General设置、激活PEM模型、操作条件设置、边界条件设置、求解设置、Controls设置、初始化计算和迭代计算。最后，展示了计算结果，包括等值面z=62.5mm、x=1.2 mm、z=62.5 mm面上电流密度分布、x=1.2mmmain上氧气质量分数和氧气浓度分布。

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

2 Fluent设置

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

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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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