大功率燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法研究

邵明標(biāo)

大功率燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法研究

邵明標(biāo)

（阜陽幼兒師范高等?？茖W(xué)校，安徽阜陽，236015）

研究大功率燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法，旨在提升大功率燃料電池性能。本研究選取質(zhì)子交換膜燃料電池作為研究對(duì)象，建立由質(zhì)子交換膜陰陽極氣體流道、陰陽極集流板、陰陽極擴(kuò)散層、陰陽極催化劑層以及質(zhì)子交換膜9部分構(gòu)成的質(zhì)子交換膜燃料電池物理模型；通過分析能量守恒方程、流體傳遞方程、動(dòng)量守恒方程、組分守恒方程、電荷守恒方程、凈遷移通量方程等，對(duì)所構(gòu)建模型穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制，并利用CFD_FLUENT軟件對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電池內(nèi)部溫度隨著環(huán)境溫度、入口氣流溫度、陰極利用率的提高而上升；電池內(nèi)部溫度隨著工作電壓提升而下降。研究結(jié)果對(duì)大功率燃料電池運(yùn)行性能的提升具有重要意義。

大功率；燃料電池；穩(wěn)態(tài)；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

質(zhì)子交換膜燃料電池是最具代表性的大功率燃料電池，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、水下機(jī)器人以及軍事等領(lǐng)域中[1,2]。質(zhì)子交換膜燃料電池具有比功率與電流密度大、能量轉(zhuǎn)化率高、啟動(dòng)速度快以及不存在腐蝕問題等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有十分優(yōu)異的性能，是大功率燃料電池中應(yīng)用最廣泛的一種，被眾多相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覙O為看重，質(zhì)子交換膜燃料電池也是車輛燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分[3]。目前大功率燃料電池面臨著性能提升難、結(jié)構(gòu)優(yōu)化難等眾多技術(shù)難題[4]，因此本研究提出大功率燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法，通過對(duì)大功率燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，明確電池內(nèi)部組分傳遞情況、電化學(xué)反應(yīng)歷程和溫度以及電流密度的分布情況，便于研究人員進(jìn)一步優(yōu)化電池運(yùn)行條件以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升電池的綜合性能[5]。

1 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建大功率燃料電池模型

選取質(zhì)子交換膜燃料電池作為研究對(duì)象[6]。假設(shè)該電池催化層、擴(kuò)散層等均為多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)具有各向同性的特征，同層的多孔介質(zhì)特征參數(shù)相等。質(zhì)子交換膜不可滲透于各組分內(nèi)，電池內(nèi)流道長(zhǎng)度可滿足流體流動(dòng)，燃料電池內(nèi)電極的飽和蒸氣壓在小于水蒸氣分壓時(shí)可形成水凝結(jié)現(xiàn)象[7]。

基于以上條件建立的質(zhì)子交換膜燃料電池物理模型如圖1所示。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池物理模型

通過圖1可以看出，該物理模型由質(zhì)子交換膜陰陽極氣體流道、陰陽極集流板、陰陽極擴(kuò)散層、陰陽極催化劑層以及質(zhì)子交換膜9部分構(gòu)成，穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬區(qū)域?yàn)殡姵貎?nèi)流道的單直行流場(chǎng)[8-10]。

1.2 穩(wěn)態(tài)控制方程

1.2.1能量守恒方程

熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流以及傳質(zhì)傳熱是電池內(nèi)電堆的主要換熱情況。忽略大功率燃料電池內(nèi)不可壓縮流體擴(kuò)散、動(dòng)能相以及粘性作用，可得出電池的陰極與陽極氣體能量守恒方程，如下所示：

1.2.2流體傳遞方程

流體在大功率燃料電池多孔介質(zhì)內(nèi)傳遞的連續(xù)性方程如下所示：

1.2.3動(dòng)量守恒方程

流體在大功率燃料電池多孔介質(zhì)內(nèi)物質(zhì)傳輸?shù)膭?dòng)量守恒方程如下所示：

1.2.4組分守恒方程

大功率燃料電池內(nèi)不同組分守恒方程如下所示：

其中，

大功率燃料電池工作電流密度通過Tafel方程獲得，表示為：

活化過電位的計(jì)算公式如下：

1.2.5電荷守恒方程

大功率燃料電池內(nèi)質(zhì)子與電子運(yùn)動(dòng)分別由膜相電位以及碳相電位決定，擴(kuò)散層內(nèi)的質(zhì)子由質(zhì)子膜傳遞，固體基質(zhì)與電解質(zhì)膜的重疊區(qū)為大功率燃料電池的催化層。

大功率燃料電池內(nèi)電解質(zhì)固體電位控制方程如下所示：

1.2.6凈遷移通量方程

大功率燃料電池內(nèi)電解質(zhì)凈遷移通量方程如下所示：

2 數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)

利用Fluent作為求解器，選取CPU為2.86 GHz、內(nèi)存為8 GB的計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)主機(jī)，選取CFD_FLUENT軟件進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。設(shè)數(shù)值模擬質(zhì)子交換膜燃料電池的質(zhì)子交換膜厚度以及催化層厚度分別為0.5 mm、0.25 mm；氣體擴(kuò)散層高度以及氣體流場(chǎng)高度分別為2 mm、8 mm；集流板高度以及氣體流場(chǎng)長(zhǎng)度分別為1.2 mm、500 mm；氣體流場(chǎng)寬度以及集流板寬度分別為2 mm、4 mm；設(shè)電池起始溫度為332 K，電池內(nèi)氫氣以及氧氣組分的起始質(zhì)量分率分別為0.8、0.9。

對(duì)所構(gòu)建模型的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制，并利用CFD_FLUENT軟件進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，將軟件輸出作為數(shù)值模擬結(jié)果，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

為檢測(cè)本研究中溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法的有效性，在相同工況下將本文數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，設(shè)電池陽極與陰極氣體通道壓力分別為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓以及5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，電池溫度為352.05 K，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3 模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

由圖3對(duì)比結(jié)果可以看出，本方法模擬的質(zhì)子交換膜燃料電池極化性能與實(shí)際結(jié)果吻合程度較好，說明所研究的大功率燃料電池穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法具有有效性。陰極電流與溫度關(guān)系分析如表1所示。

由表1的分析結(jié)果可知，電池溫度與電流密度隨外界環(huán)境溫度提升而有所上升。其原因在于在外界環(huán)境升高的情況下，電池內(nèi)部氫氣與氧氣反應(yīng)擴(kuò)散速率上升，電化學(xué)反應(yīng)速度也隨之升高，從而電池溫度也有所提升。

表1 陰極電流與溫度關(guān)系分析

為檢測(cè)入口氣流溫度對(duì)大功率燃料電池電堆溫度場(chǎng)的影響情況，統(tǒng)計(jì)不同氣流溫度下電池電堆溫度場(chǎng)變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2模擬結(jié)果說明，電池內(nèi)電堆最高溫度隨著入口氣流溫度降低而下降；入口氣流溫度提升時(shí)，電堆溫度隨之提升，其主要原因在于氣流帶入電堆熱量由于入口氣流溫度降低而下降。為避免電極反應(yīng)由于氣流溫度過低而無法正常運(yùn)行，需要將電池入口氣流溫度設(shè)置在540℃以上。

表2 不同入口氣流溫度下溫度場(chǎng)變化

陰極利用率可保證電堆不超過設(shè)定溫度，電堆的最高溫度在順流以及逆流時(shí)分別位于陰極出口和陽極進(jìn)口處。在不同陰極利用率的條件下，電池內(nèi)部電堆溫度變化情況如表3所示。

由表3結(jié)果可以看出，陰極利用率降低時(shí)，電堆最高溫度有所降低；陰極利用率提升時(shí)，電堆最高溫度有所提升。模擬結(jié)果說明，電堆溫度場(chǎng)可隨著陰極氣體利用率的變化而有所變化，陰極利用率較小時(shí)有助于提升電池運(yùn)行效率。

表3 不同陰極利用率時(shí)電池內(nèi)部電堆溫度變化

采用本方法模擬不同工作電壓條件下電池溫度場(chǎng)的變化情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 不同工作電壓時(shí)電池溫度場(chǎng)變化

由表4模擬結(jié)果可知，電池內(nèi)部反應(yīng)速率隨著工作電壓降低而有所提升；反應(yīng)速率加快會(huì)促進(jìn)更多能量的形成；大量能量聚集令電池內(nèi)部溫度有所提升，溫差也會(huì)有所上升。

3 結(jié)論

能源問題已成為全球急需解決的緊迫問題。燃料電池是改善環(huán)境污染、解決能源問題的重要途徑，尤其是大功率燃料電池運(yùn)行性能的優(yōu)化極為重要。本研究將質(zhì)子交換膜燃料電池作為研究對(duì)象，通過將其穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果作為基礎(chǔ)，能夠?yàn)榇蠊β嗜剂想姵匦阅艿膬?yōu)化提供依據(jù)，并保證大功率燃料電池可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

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Research on Numerical Simulation Method of Steady State Temperature Field of High Power Fuel Cell

SHAO Mingbiao

Research on numerical simulation method for steady-state temperature field of high-power fuel cells aims to improve the performance of high-power fuel cells. The study selected proton exchange membrane fuel cell as the research object, set up proton exchange membrane fuel cell physical model consisting of 9 parts such as the proton exchange membrane cathode-anode gas flow channel, cathode-anode current collector, cathode-anode diffusion layer, cathode-anode catalyst layer and the proton exchange membrane; through the analysis on the energy conservation equation, fluid transfer equation, momentum conservation equation, components conservation equation, charge conservation equations and net migration flux equation, the steady-state temperature field of the model was under the steady-state control, and the numerical simulation was made on the steady-state temperature field of proton exchange membrane fuel cell with the CFD_FLUENT software. The experimental results show that the internal temperature of the battery increases with the increase of the ambient temperature, the inlet airflow temperature and the utilization rate of cathode, while the internal temperature of the battery decreases with the increase of the working voltage. The research results are of great significance to the improvement of the operating performance of high-power fuel cells.

high power; fuel cells; steady state; temperature field; numerical simulation

TM911

A

1009-1114（2020）03-0043-04

2020-04-16

邵明標(biāo)（1980—），安徽阜陽人，阜陽幼兒師范高等專科學(xué)校講師，主要從事化學(xué)教育和材料化學(xué)研究。

研究項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2019A1273）；安徽省2018質(zhì)量工程項(xiàng)目高水平教學(xué)團(tuán)隊(duì)——科學(xué)教育專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（項(xiàng)目編號(hào)：2018jxtd132）資助。

文稿責(zé)編 鄧延安