质子交换膜燃料电池建模示例

Mark Fowler 2014年 3月 3日

聚合物电解质膜或质子交换膜(proton exchange membrane,简称 PEM)燃料电池是一种极具应用潜力的便携式清洁电源,是交通运输和发电行业的研究热点。COMSOL Multiphysics,这款强大的仿真工具,可以帮助理解和克服 PEM 电池燃料设计和施工过程中的挑战。

高温 PEM 燃料电池的质量传递分析

低温 PEM 燃料电池通常在大约70~80℃ 的温度下运行,而高温 PEM 燃料电池的运行温度则在 100℃ 以上。由于电池中会发生电化学反应,因而会在负极侧会生成水。同时,如果氢气流中含有水,水也可能在正极侧聚集。当燃料电池中带有水时,电池反应的速率将会变低,最终降低整个系统的效率。

为了避免这种情况,工程师可以借助 COMSOL Multiphysics 的电池与燃料电池模块对设计进行分析。他们可以详尽分析电极厚度、孔隙率、催化剂活性和气孔电解液含量等参数对电池性能的影响。

如果您想深入了解高温 PEM 燃料电池中水和反应物的传递,以及电流密度分布情况,高温质子交换膜燃料电池质量传输分析模型是非常好的学习资料。本案例着重研究了阳极和阴极区域内气体扩散层(gas diffusion layer,简称 GDL)、流道和多孔催化层中的质量和动量传递现象。这些现象与催化层以及 GDL 和膜自身的电化学反应相耦合。

Geometry of fuel cell 质子交换膜燃料电池建模示例
高温 PEM 燃料电池的几何结构。

被动式 PEM 燃料电池中的欧姆损耗和温度分布

被动式燃料电池空气侧的设计目标是确保电池中的电流密度和温度均匀地分布,这会受到环境温度和电流负荷的制约。通常,阴极集流体上的孔应足够大,才能将反应物传递给电极。

不过,固体材料的孔隙率不能太大,因为过大的孔隙率会导致穿过气体扩散层到活性层(气体扩散电极)的集电片的结构刚度和电导率将被削弱。如果气道孔做的太大,从集电片到活性层部件的电流传导的路径正好在孔中心下面,将变得太大,并且电流将集中到靠近与集流体接触的区域。

这些区域的电流密度将会增大,进而导致电阻、浓度和活化过电位增加。这种情况对于直通道电池和蛇形通道电池来说同样存在,所以需要对这些通道的宽度进行优化。

被动式质子交换膜燃料电池中的欧姆损耗和温度分布案例模型清晰地显示了被动式 PEM 燃料电池的电流密度和温度分布。

Cathode temperature dependence 质子交换膜燃料电池建模示例
负极平均温度随平均电流密度的变化情况。

PEM 燃料电池气体扩散层中的物质传递

部分情况下,蛇形流道的电池和采用了叉指流场设计的电池,在不同的工作压力下可能会有两个相邻的流道。借助 COMSOL 软件,工程师可以针对这一场景深入地研究 PEM 燃料电池的 GDL 内的质量传输。

质子交换膜燃料电池的气体扩散层中的物质传递模型描述了,如何通过结合电化学电流源和气相质量传递流体流动,来模拟会对 PEM 燃料电池的电流-电压特性产生影响的所有物理现象。

Gas velocity streamlines and pressure field 质子交换膜燃料电池建模示例
阳极(氢气侧)和阴极(空气侧)多孔电极内的气流速度流线和压力场。

蛇形流场燃料电池

燃料电池的流动模式会影响到电池内的电流分布、压降和燃料利用率。典型的设计方法是利用蛇形通道在电极表面平均分配反应流体。蛇形设计的优势在于,它为小入口管创建了相同长度的并行通道,并且这些通道具有相似的流动阻力。然而这一设计同时也存在着缺陷,因为可能会产生不必要的高压降。

蛇形流场燃料电池模型是一个很好的案例,向我们展示了如何使用 COMSOL 软件来保证蛇形设计的功能正常。该案例描述了三个蛇形通道内的阴极气流和质量传递,以及聚合物电解质膜燃料电池下方放射层中相应的电流密度。

Cathode current density 质子交换膜燃料电池建模示例
阴极电流密度示意图。

案例下载


加载评论……