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通过化学制造电力—仿真分析助力“燃料电池设计”
2019年09月11日 赞:270次

燃料电池是电化学装置,它从外部燃料和氧化剂供应产生电力。燃料和氧化剂的许多组合都是可能的;然而,最常用的燃料是氢,碳氢化合物和醇,而氧通常是氧化剂。燃料转化为能量通过电化学反应进行,其中唯一的副产物是水(当氢是燃料时)和热量。这个过程干净,安静,高效。由于这些原因,燃料电池在寻求可持续能源方面备受推崇

有几种类型的燃料电池,它们的差异取决于电解质的性质。聚合物电解质膜(PEM)燃料电池在比其他类型更低的温度下运行,每个电池可以提供高达10 W的功率,并且可以堆叠以处理更高的功率负载。PEM燃料电池的主要应用是运输 - 一些专家认为燃料电池将彻底改变汽车工业 - 以及分散式固定电气应用,从家庭热电联产系统到真空吸尘器和笔记本电脑


在西班牙马德里的国家航空航天研究所(INTA)和马德里航空系统公司(CESA)所做的工作中,研究人员选择对单个7 W PEM燃料电池进行建模,目的是了解不同的几何配置和运行条件如何影响电池芯体的表现。性能取决于各种结构和功能参数,例如双极板中流路的几何形状,以及湿度,温度和操作压力。为了改善PEM燃料电池的性能,有必要了解变量的行为,例如速度,流量分布,水的冷凝和电流分布。因此,数值模拟成为理解发生的物理现象的重要工具。


INTA和CESA的工作开始利用FLUENT计算流体动力学(CFD)软件的燃料电池模块来捕捉燃料电池的基本过程,并优化双极板的流路设计,以提高效率。为了实现这些目标,进行了大量的模拟,范围从最简单的流体流动分析模型,到模拟包含电化学和多相流动的更复杂模型。


使用具有平行通道的商业几何结构和具有两个蛇形路径流动通道的原型几何结构进行模拟。在单个蛇形通道的简化模型中研究了诸如入口流动湿度,质量流量和几何参数(例如通道宽度)的操作条件的影响


在平行几何结构中,研究人员使用FLUENT 模拟了层流,不可压缩的单相(仅气体)流动。在这些模拟中,忽略了电化学现象,并且仅进行了流体流动的分析。计算域限于阳极和阴极的流动通道。模拟了不同的质量流量,从高比例的两种反应物到最小流量,保证了电化学反应的发生。结果显示在所有模拟中流动的分布不均匀,这意味着大部分膜表面被浪费。类似的蛇形几何形状的流体流动分析得出结论,它允许比平行几何形状更均匀的流动分布,因此具有更好的导电性。


此外,使用简化的单个蛇形通道模型的模拟来更好地理解电化学反应中涉及的所有变量以及气体扩散层和膜电极组件(MEA)内的所有传输现象。FLUENT燃料电池模块考虑了与MEA接触的反应流,反应物和双极板之间的热传递,反应物通过多孔介质的扩散,以及通过多相流形成的液态水。使用该模块,计算出单个蛇形通道的完整极化曲线。模拟使INTA和CESA能够观察质量流入口的湿度,质量流量和通道宽度等参数对这些极化曲线的影响,以及随后的电池电流密度。CFD研究结果表明,流向的变化导致局部区域的电流密度增加。


从简化的蛇形几何形状的完整电化学模拟和完整的蛇形几何形状的流体流动模拟,显然蛇形设计与传统的平行几何形状相比可以改善燃料电池性能。在此研究的基础上,将使用FLUENT软件实现完整的蛇形设计的电化学模拟。


PEM燃料电池如何工作

PEM燃料电池由阳极和阴极组成,由聚合物电解质膜(PEM)隔开。简而言之,燃料电池的工作原理如下:氢气和氧气分子进入装置,氢气被分解以产生电力 - 水就会作为副产物产生。催化剂层置于阳极(或阴极)和PEM之间。


氧气进入装置阴极侧的燃料电池。氢进入器件的阳极侧,并且当它与催化剂层接触时,它分裂成两个氢离子和两个电子。氢离子通过PEM传导。当氢离子与阴极上的催化剂层接触时,它们与氧原子连接在一起并与驱动能量产生电流的电子重新结合,形成水作为整个过程的唯一副产物。


为了确保该过程的效率,氧气和氢气在阳极和阴极中通过的通道应设计成在气体分子和催化剂层之间产生尽可能多的接触面积


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