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[原创] 数值模拟在质子交换膜燃料电池中的研究进展
猫友1152466 楼主
2021-04-13 09:03 20248
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21世纪以来人们对不可再生能源的使用量日益提升,加重了我国能源储备的问题。所以,能源体系的供应应做出调整,加速对清洁能源的开发与利用、对储能设备的设计与应用成为解决能源问题的方案。质子交换膜燃料电池作为以氢燃料为主的电池,具有高转换效率、低环境污染的特性,成为科研人员关注的对象。

质子交换膜燃料电池内部构建上相对复杂、规格尺度也比较小,使用传统实验的方法很难针对某一部位的改进或是对内部参数优化所产生的影响进行测量。为了加深对质子交换膜燃料电池机理的研究、提升质子交换膜燃料电池的性能,通过数值模拟的方法可以建立数学模型模拟电池在运作过程中的内在现象。数值模拟的方法目前广泛的应用于电池的研究之中,随着数值模拟方法的不断完善,可以对实验现象进行分析或者与实际实验结果进行对比提供理论依据,做到与实验相辅相成的目的,此外,还可以做到大幅度缩短实验周期、减少实验费用支出。因此,在汉斯出版社《电力与能源进展》期刊中,有学者主要对质子交换膜燃料电池在数值模拟方面的研究进展进行介绍。

与锂离子电池模拟不同,质子交换膜燃料电池的数值模拟多着重于仿真模拟,常用软件之一便是COMSOL软件,该软件是一款可以进行多物理场耦合的仿真软件。数值模拟软件的使用可以帮助解决复杂的实验过程和预测实验的多变性,并使物理场耦合,得到更符合实际情况的数值模拟研究结果。

除了COMSOL软件外,还有诸多相关软件可以开展质子交换膜燃料电池的计算模拟研究工作。有学者将质子交换膜电池在车中的应用进行了模拟,其使用的是Matlab环境。建立了一个三维的直流道的模型,针对负载工况,充分考虑电池体的温度,分析了电池从启动阶段到负载阶段的响应。某学者基于FLUENT模拟方法,对电池的单体工作进行模拟,分析了工作电压差异和燃料气体的流法对水生成的分布及整个电池工作性能的影响。此外,作者还对不同形状流道对电池工作的影响进行了模拟,对电池的设计起到了指导作用。

对于质子交换膜燃料电池来说可进行的模拟手段非常丰富,对于不同模拟方法可以进行综合考虑,起到相辅相成的目的。在上述中,可以得知对于流道设计时需要充分考虑水和气体在电池中的分布和排出问题,并且流道截面也对电池性能起到一定影响。对蛇形流道的内外弯壁设计加上一定倾斜、使用交指流场可以对加强阴极纯质或是对波浪形流道的波长和波幅加以改进,都会对电池性能起到一定的提升。

由上述可见,目前对于质子交换膜燃料电池的数值模拟方法众多,并且在很多方面均开展了研究工作,并得到了一定的研究结果。但是,运用数值模拟的方法也存在着诸多的问题,比如不论是利用COMSOL或是Fluent等方法仿真,都是建立在假设的情况下,并不能做到实验的状态。又或是对于特殊工况或者特殊情况,例如传热过程并没有加以过多的考虑,使得仿真模拟还有进一步提升的可能。对于电池来说,更多的时候是在非使用工况下考虑的,动态模拟对于电池来说是至关重要的,目前对能进行自主学习的文献研究存在的还不是很多。

截至目前,对于数值模拟在质子交换膜燃料电池的应用已经十分广泛,逐渐地已经可以揭示许多复杂物理场的情况下对电池性能的影响。包括现阶段可使用的模拟方法也很丰富,甚至有学者使用多种模拟方法相结合的形式意在分析电池在工况下的性能。综合考虑来说,应根据需求对流道种类进行确定,然后再对流道结构、尺寸进行改进,提高扩散层孔隙率,可以更好地提升燃料电池的性能,为电池设计提供了指导思路。

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