質(zhì)子交換膜燃料電池流動傳熱特性研究

杜躍斐,姜慧羚

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

隨著全球科技水平的快速發(fā)展,人們對環(huán)境問題和能源問題的危機認(rèn)識逐漸加深,一些知名研究機構(gòu)和汽車企業(yè)將新型能源作為目前和下一階段社會可持續(xù)發(fā)展的研究方向。燃料電池具有接近零排放、清潔、高效的特點,被認(rèn)為具有較廣的應(yīng)用前景。質(zhì)子交換膜燃料電池是實現(xiàn)氫能利用的一種燃料電池,其電堆中內(nèi)部流場非常復(fù)雜,形成具有良好流動特性的流場結(jié)構(gòu)是提高質(zhì)子交換膜燃料電池工作輸出性能的一個關(guān)鍵因素。燃料電池內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)決定了反應(yīng)物與生成物在流道內(nèi)部的流動和擴散,合理的流場結(jié)構(gòu)設(shè)計可以保證陰極、陽極氣體均勻分配,確保燃料電池有恒定的輸出功率,并且將生成物順利排出,不會產(chǎn)生燃料電池?zé)o法正常工作的情況。

近年來,很多科研和工程技術(shù)人員對燃料電池進(jìn)行了研究,包括采用先進(jìn)仿真手段和測試技術(shù),對質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部流動和電化學(xué)反應(yīng)機理進(jìn)行研究。陳磊[1]針對矩形流道建立不同流道尺寸的燃料電池幾何模型,使用Fluent軟件仿真計算燃料電池的工作過程,研究流道內(nèi)壓力、反應(yīng)物濃度、溫度、水濃度的分布情況。徐一凡[2]圍繞金屬極板質(zhì)子交換膜燃料電池中生成水的傳輸過程,開展水-氣傳輸理論建模、規(guī)律分析及流道設(shè)計優(yōu)化,為電堆流場設(shè)計提供了理論方法。林鵬[3]研究了質(zhì)子交換膜燃料電池電堆在封裝載荷作用下的力學(xué)問題,以數(shù)值仿真為主要方法。文獻(xiàn)[4-6]采用數(shù)值模擬和試驗,對質(zhì)子交換膜燃料電池流場結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究,為燃料電池的流場設(shè)計提供指導(dǎo)。文獻(xiàn)[7-10]也采用數(shù)值模擬技術(shù)對質(zhì)子交換膜燃料電池流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

筆者利用計算流體動力學(xué)仿真技術(shù),對質(zhì)子交換膜燃料電池的流道建立三維數(shù)學(xué)仿真模型,通過Fluent軟件對質(zhì)子交換膜燃料電池性能進(jìn)行分析,研究質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部流動傳熱特性,得到質(zhì)子交換膜燃料電池流道內(nèi)沿流動方向的物質(zhì)含量變化規(guī)律及原因。研究結(jié)果可以用于對質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,提高質(zhì)子交換膜燃料電池的性能。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

可以將質(zhì)子交換膜燃料電池看作一種能量轉(zhuǎn)換裝置,根據(jù)電化學(xué)原理,等溫地將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理如圖1所示。質(zhì)子交換膜燃料電池工作時,氫氣在陽極催化劑的作用下反應(yīng)生成氫離子和電子,陰極的氧氣分子在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)生成氧離子,氫離子與氧離子發(fā)生反應(yīng)生成無污染的水。

陽極反應(yīng)為:

H2→2H++2e

陰極反應(yīng)為:

總反應(yīng)為:

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

3 控制方程

質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部包含流體的流動、多孔介質(zhì)中的氣體擴散、水在電池中的傳遞、催化層中的電化學(xué)反應(yīng),這些同時存在并且相互影響,內(nèi)部主要的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、電荷守恒方程。

3.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程為:

(1)

式中:ρ為氣體混合物密度;ε為多孔介質(zhì)孔隙率;u為氣體混合物速度矢量;Sm為質(zhì)量源項;t為時間;·(ερu)為質(zhì)量流量項ερu的散度。

3.2 動量守恒方程

在多孔介質(zhì)和流道中,動量守恒方程為:

=-εP+·(εμu)+Su

(2)

式中:P為壓力;μ為混合氣體黏度;Su為動量源項,在流道中Su為0;·(ερuu)為動量項ερuu的散度;P為壓力P的梯度;·(εμu)為黏性項εμu的散度,u為速度u的梯度。

3.3 能量守恒方程

質(zhì)子交換膜燃料電池的能量守恒方程為:

(3)

式中:T為熱力學(xué)溫度;keff為有效導(dǎo)熱系數(shù);cp為定壓比熱容;SQ為能量源項;·(ερcpuT)為熱流量項ερcpuT的散度;·(keffT)為導(dǎo)熱項keffT的散度,T為溫度T的梯度。

3.4 組分守恒方程

對流流量和擴散流量是化學(xué)組分流量的組成部分,通常擴散流量遵循菲克定律?；瘜W(xué)組分守恒方程為:

(4)

3.5 電荷守恒方程

質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的電勢分為固相電勢和膜電勢,根據(jù)歐姆定律,電荷守恒方程為:

(5)

(6)

式中:φe、φm分別為固相電勢和膜電勢;σ為電解質(zhì)電導(dǎo)率;Sφ,e、Sφ,m分別為質(zhì)子電流源相和電子電流源項;·(σeφe)為固相電流項σeφe的散度,φe為固相電勢φe的梯度;·(σmφm)為膜電流項σmφm的散度,φm為膜電勢φm的梯度。

4 建模

計算對象為一個單獨的質(zhì)子交換膜燃料電池單元,包括陰極和陽極的極板、氣體流道、擴散層、催化劑層、質(zhì)子交換膜等部件,兩極流道為直線型。質(zhì)子交換膜燃料電池單流道截面如圖2所示。

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池單流道截面

質(zhì)子交換膜燃料電池流道的幾何模型較為規(guī)則,因此采用先建面后拉伸的策略生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。質(zhì)子交換膜燃料電池網(wǎng)格模型如圖3所示。各部件在厚度、寬度、長度方向上均保持足夠量的網(wǎng)格層數(shù)分配,總體網(wǎng)格數(shù)為62萬,網(wǎng)格質(zhì)量保持在0.99以上。

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池網(wǎng)格模型

5 仿真參數(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池仿真涉及的參數(shù)較多,包括流體參數(shù)、傳熱參數(shù)、電化學(xué)參數(shù)等,主要仿真參數(shù)見表1。

采用質(zhì)量流量入口及壓力出口。陽極入口質(zhì)量流量為6×10-7kg/s,溫度為353 K,氫氣與水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8、0.2。陰極入口質(zhì)量流量為5×10-7kg/s,溫度為353 K,氧氣與水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2、0.1。兩極出口壓力均默認(rèn)為零,溫度保持在353 K。

表1 質(zhì)子交換膜燃料電池主要仿真參數(shù)

除兩極進(jìn)出口外,模型中的其余面均做壁面處理。電池兩極端面上還需添加相應(yīng)的電壓數(shù)值,陰極端面電壓為0.75 V,陽極端面電壓為零。

6 仿真結(jié)果

提交計算后,通過監(jiān)控收斂曲線,可知在迭代350步后計算收斂,收斂曲線如圖4所示。圖中continuity為連續(xù)性方程殘差,x-velocity、y-velocity、z-velocity為三個方向的速度殘差,energy為能量方程殘差,H2、O2、H2O依次為氫氣、氧氣和水含量殘差,uds-0、uds-1、uds-2為用戶自定義參數(shù)殘差。

圖4 計算收斂曲線

入口段的溫度分布如圖5所示。由計算結(jié)果可知,質(zhì)子交換膜及催化劑層溫度最高,且沿著兩極極板方向溫度逐漸降低。這是由于質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)放熱的區(qū)域在質(zhì)子交換膜和催化劑層,兩極極板處沒有熱源產(chǎn)生,溫度較低。溫度分布與實際情況吻合較好。

圖5 入口段溫度分布

入口段的氫氣含量分布如圖6所示,出口段的氫氣含量分布如圖7所示。由計算結(jié)果可知,沿著流道方向氫氣含量逐漸降低,至出口段為最低。這是由于氣體通道中的氫氣會通過擴散層進(jìn)入催化劑層,然后因發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而被消耗。

圖6 入口段氫氣含量分布

圖7 出口段氫氣含量分布

入口段的水含量分布如圖8所示,出口段的水含量分布如圖9所示。由計算結(jié)果可知,沿著流道方向,水含量逐漸提高,出口段處水含量最高。這是由于出口段處為氧氣入口處,氧氣含量相對最高,電化學(xué)反應(yīng)生成所需的氧氣供給最為充分,生成的水也最多。

圖8 入口段水含量分布

圖9 出口段水含量分布

7 結(jié)束語

筆者基于Fluent軟件質(zhì)子交換膜燃料電池模塊對質(zhì)子交換膜燃料電池單流道模型進(jìn)行建模與仿真研究,通過提取溫度場、氫氣含量、水含量等結(jié)果分析質(zhì)子交換膜燃料電池工作過程中的流動傳熱特性。

由計算結(jié)果可知, 質(zhì)子交換膜燃料電池電堆工作過程中,質(zhì)子交換膜由于產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)熱,溫度最高,并向兩側(cè)陰極、陽極極板傳遞熱量。由于電化學(xué)反應(yīng)消耗氫氣,因此氫氣含量沿氫氣流動方向逐漸降低。由于電化學(xué)反應(yīng)生成水,氧氣在出口段處供給充足,因此水含量沿流動方向逐漸提高,在出口段處達(dá)到最高。

研究所得結(jié)果進(jìn)一步擴展后,可用于指導(dǎo)質(zhì)子交換膜燃料電池電堆單流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。也可進(jìn)一步將單流道模型擴展到整個質(zhì)子交換膜燃料電池電堆模型,來模擬整塊電堆在工作過程中的流體及電化學(xué)性能。