大功率燃料电池稳态温度场数值模拟方法研究

邵明标

大功率燃料电池稳态温度场数值模拟方法研究

邵明标

（阜阳幼儿师范高等专科学校，安徽阜阳，236015）

研究大功率燃料电池稳态温度场数值模拟方法，旨在提升大功率燃料电池性能。本研究选取质子交换膜燃料电池作为研究对象，建立由质子交换膜阴阳极气体流道、阴阳极集流板、阴阳极扩散层、阴阳极催化剂层以及质子交换膜9部分构成的质子交换膜燃料电池物理模型；通过分析能量守恒方程、流体传递方程、动量守恒方程、组分守恒方程、电荷守恒方程、净迁移通量方程等，对所构建模型稳态温度场进行稳态控制，并利用CFD_FLUENT软件对质子交换膜燃料电池稳态温度场进行数值模拟。实验结果表明：电池内部温度随着环境温度、入口气流温度、阴极利用率的提高而上升；电池内部温度随着工作电压提升而下降。研究结果对大功率燃料电池运行性能的提升具有重要意义。

大功率；燃料电池；稳态；温度场；数值模拟

质子交换膜燃料电池是最具代表性的大功率燃料电池，目前广泛应用于航空航天、汽车、水下机器人以及军事等领域中[1,2]。质子交换膜燃料电池具有比功率与电流密度大、能量转化率高、启动速度快以及不存在腐蚀问题等众多优点，具有十分优异的性能，是大功率燃料电池中应用最广泛的一种，被众多相关领域专家极为看重，质子交换膜燃料电池也是车辆燃料电池发动机的重要组成部分[3]。目前大功率燃料电池面临着性能提升难、结构优化难等众多技术难题[4]，因此本研究提出大功率燃料电池稳态温度场数值模拟方法，通过对大功率燃料电池稳态温度场数值模拟，明确电池内部组分传递情况、电化学反应历程和温度以及电流密度的分布情况，便于研究人员进一步优化电池运行条件以及内部结构参数，提升电池的综合性能[5]。

1 稳态温度场数值模拟方法设计

1.1 构建大功率燃料电池模型

选取质子交换膜燃料电池作为研究对象[6]。假设该电池催化层、扩散层等均为多孔介质，多孔介质具有各向同性的特征，同层的多孔介质特征参数相等。质子交换膜不可渗透于各组分内，电池内流道长度可满足流体流动，燃料电池内电极的饱和蒸气压在小于水蒸气分压时可形成水凝结现象[7]。

基于以上条件建立的质子交换膜燃料电池物理模型如图1所示。

图1 质子交换膜燃料电池物理模型

通过图1可以看出，该物理模型由质子交换膜阴阳极气体流道、阴阳极集流板、阴阳极扩散层、阴阳极催化剂层以及质子交换膜9部分构成，稳态温度场数值模拟区域为电池内流道的单直行流场[8-10]。

1.2 稳态控制方程

1.2.1能量守恒方程

热传导、热辐射、热对流以及传质传热是电池内电堆的主要换热情况。忽略大功率燃料电池内不可压缩流体扩散、动能相以及粘性作用，可得出电池的阴极与阳极气体能量守恒方程，如下所示：

1.2.2流体传递方程

流体在大功率燃料电池多孔介质内传递的连续性方程如下所示：

1.2.3动量守恒方程

流体在大功率燃料电池多孔介质内物质传输的动量守恒方程如下所示：

1.2.4组分守恒方程

大功率燃料电池内不同组分守恒方程如下所示：

其中，

大功率燃料电池工作电流密度通过Tafel方程获得，表示为：

活化过电位的计算公式如下：

1.2.5电荷守恒方程

大功率燃料电池内质子与电子运动分别由膜相电位以及碳相电位决定，扩散层内的质子由质子膜传递，固体基质与电解质膜的重叠区为大功率燃料电池的催化层。

大功率燃料电池内电解质固体电位控制方程如下所示：

1.2.6净迁移通量方程

大功率燃料电池内电解质净迁移通量方程如下所示：

2 数值模拟方法设计

利用Fluent作为求解器，选取CPU为2.86 GHz、内存为8 GB的计算机作为实验主机，选取CFD_FLUENT软件进行质子交换膜燃料电池稳态温度场数值模拟。设数值模拟质子交换膜燃料电池的质子交换膜厚度以及催化层厚度分别为0.5 mm、0.25 mm；气体扩散层高度以及气体流场高度分别为2 mm、8 mm；集流板高度以及气体流场长度分别为1.2 mm、500 mm；气体流场宽度以及集流板宽度分别为2 mm、4 mm；设电池起始温度为332 K，电池内氢气以及氧气组分的起始质量分率分别为0.8、0.9。

对所构建模型的稳态温度场进行稳态控制，并利用CFD_FLUENT软件进行质子交换膜燃料电池稳态温度场数值模拟，将软件输出作为数值模拟结果，如图2所示。

图2 数值模拟结果

为检测本研究中温度场数值模拟方法的有效性，在相同工况下将本文数值模拟结果与实际运行结果进行对比，设电池阳极与阴极气体通道压力分别为3个标准大气压以及5个标准大气压，电池温度为352.05 K，模拟结果与实际结果对比如图3所示。

图3 模拟结果与实际结果对比

由图3对比结果可以看出，本方法模拟的质子交换膜燃料电池极化性能与实际结果吻合程度较好，说明所研究的大功率燃料电池稳态温度场数值模拟方法具有有效性。阴极电流与温度关系分析如表1所示。

由表1的分析结果可知，电池温度与电流密度随外界环境温度提升而有所上升。其原因在于在外界环境升高的情况下，电池内部氢气与氧气反应扩散速率上升，电化学反应速度也随之升高，从而电池温度也有所提升。

表1 阴极电流与温度关系分析

为检测入口气流温度对大功率燃料电池电堆温度场的影响情况，统计不同气流温度下电池电堆温度场变化，统计结果如表2所示。

表2模拟结果说明，电池内电堆最高温度随着入口气流温度降低而下降；入口气流温度提升时，电堆温度随之提升，其主要原因在于气流带入电堆热量由于入口气流温度降低而下降。为避免电极反应由于气流温度过低而无法正常运行，需要将电池入口气流温度设置在540℃以上。

表2 不同入口气流温度下温度场变化

阴极利用率可保证电堆不超过设定温度，电堆的最高温度在顺流以及逆流时分别位于阴极出口和阳极进口处。在不同阴极利用率的条件下，电池内部电堆温度变化情况如表3所示。

由表3结果可以看出，阴极利用率降低时，电堆最高温度有所降低；阴极利用率提升时，电堆最高温度有所提升。模拟结果说明，电堆温度场可随着阴极气体利用率的变化而有所变化，阴极利用率较小时有助于提升电池运行效率。

表3 不同阴极利用率时电池内部电堆温度变化

采用本方法模拟不同工作电压条件下电池温度场的变化情况，统计结果如表4所示。

表4 不同工作电压时电池温度场变化

由表4模拟结果可知，电池内部反应速率随着工作电压降低而有所提升；反应速率加快会促进更多能量的形成；大量能量聚集令电池内部温度有所提升，温差也会有所上升。

3 结论

能源问题已成为全球急需解决的紧迫问题。燃料电池是改善环境污染、解决能源问题的重要途径，尤其是大功率燃料电池运行性能的优化极为重要。本研究将质子交换膜燃料电池作为研究对象，通过将其稳态温度场数值模拟结果作为基础，能够为大功率燃料电池性能的优化提供依据，并保证大功率燃料电池可以长时间稳定运行。

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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

邵明标（1980—），安徽阜阳人，阜阳幼儿师范高等专科学校讲师，主要从事化学教育和材料化学研究。

研究项目：安徽省高校自然科学研究重点项目（项目编号：KJ2019A1273）；安徽省2018质量工程项目高水平教学团队——科学教育专业教学团队（项目编号：2018jxtd132）资助。

文稿责编 邓延安