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质子交换膜燃料电池堆的三维CFD模拟
J. Macedo-Valencia, J.M. Sierra*, S.J. Figueroa-Ramıacute;rez, S.E. Dıacute;az, M. Meza
Facultad de Ingenierıacute;a, Universidad Autonoma del Carmen, Cd. del Carmen, Campeche, C. P. 24115, Mexico
文章信息
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收到2016年6月14日
收到修订表格7
2016年10月接受的9
2016年10月
在线2016年11月7日
关键词：堆叠建模 CFD PEMFCs 传播热量
摘要
已经实施单相三维模型以模拟具有五个单电池的质子交换膜燃料电池堆中的流体流动，热传递，电化学反应和物质传输，包括膜，气体扩散层，催化剂层 ，流动通道和集电器。 使用商业计算流体动力学（CFD）代码Ansys 15.0来解决数值模型。 数值结果显示氢和氧的质量分数以及通过堆内部的五个膜电极组件的热源和温度的详细分布。物质浓度总是在入口处较高，并且沿着通道逐渐减小。 在阴极的入口处观察到最低温度，其中在300K的温度下供应氧。同样，PEM燃料电池中的热源与通过膜电极组件的电流密度分布密切相关。 此外，通过在Horizon PEM燃料电池（H-100）中进行的实验获得的极化曲线和实验数据验证了结果。 此外，该模型可以用作改进堆叠设计和提出新的冷却方法的重要步骤。
copy;2016 Hydrogen Energy Publications LLC。 发布者Elsevier Ltd.保留所有权利。
引言
由于发展中国家的工业化和世界人口的增长，化石燃料的消费量在过去几年中急剧增加[1]，这种情况导致化石燃料储量的减少和水平的增加 的二氧化碳导致增加的健康风险和全球气候变化[2,3]。 燃料电池（FC）已经成为有希望的解决能源和环境问题的解决方案。 它们的特点是具有高转换效率，模块化和零污染[4,5]。 他们的优势使他们成为领先的技术，可以替代移动中的内燃机和便携式应用中的电池[6,7,8]。 在几种燃料电池类型中，质子交换膜（PEM）燃料电池由于其低操作温度和高效率而获得更多关注[4,9]。
燃料电池的主要问题之一是由阴极反应产生的水，因为它溢出气体扩散层阻止氧气通向催化剂层的活性区域。 然而，水通过空气流和进入阴极的氧被去除。 此外，PEM燃料电池产生与其电功率输出类似的废热量，从而将其能量效率限制在约50％[10]。 该热产生主要是由于三个原因：电化学反应，欧姆加热和水冷凝。
CFD的使用允许研究燃料电池内的物理现象，例如质量，热和能量传输，电极动力学和势场，而不需要构建结构，消除了制造和加工成本。 Springer等人进行了PEMFCs的第一次模拟研究。 [11]。他们开发了用于预测燃料电池性能的1维，等温和稳态模型。 作者确定了水扩散率，电渗透阻力系数和电导率作为膜中水含量的函数。 Hashemi 等人。 [12]提出了一种用于具有直的和蛇形流场的PEMFC的三维模型。 模型结果表明，蛇形流场显示更好的电流密度和温度分布。 王和欧阳[13]利用无量纲的热/质量传递系数开发了一种空气呼吸质子交换膜燃料电池的三维模型。Masher和Sadiq [14]开发了一个质子交换膜燃料电池的三维模型，以研究由于温度和相对湿度的变化导致的电池内的位移，变形和应力。Bladimir et al。 [15]提出了一个三维模型来研究使用对称流动模式作为气体输送通道的单个PEM燃料电池的性能。 结果表明，从发电，电流密度的均匀性和低泵浦功率的角度来看，流动结构促进改进的性能。
PEM燃料电池堆的建模和模拟已在几篇论文中报道。 Kvesic et al。 [16]开发了一个多域和多尺度模型形式的五单元短堆叠的CFD模型。 然而，没有应用电化学方程，电池仅用于产生期望的压降。 Liu et al。 [17]提出了一种具有六个电池的空气冷却微型燃料电池堆的三维模型，其中有效面积为8cm 2。 流场被简化为多孔介质。
Mustata等人 [18]研究了一个具有两个不同气体收入的300 W堆叠的3D模型。 Naviere-Stokes方程在板的主收集器和通道中解析。 结果表明，该方法允许对流场和压力场进行详细的空间描述。Mayyas 等人 [19]开发了一种3D热模型来分析和预测空气冷却PEMFC的热性能。 结果表明，该模型能够在控制方案下预测燃料电池的热行为。Shan和Choe [20]提出了一种高度动态的PEM燃料电池堆模型，其显示通过堆叠的不对称温度分布，随着操作条件和施加的负载动态变化。 在这方面，在这个工作中提出了在五个电池堆中的热传递的3D数值研究，以了解温度如何在堆内分布。 为了实现这些目标，第一分析包括研究堆内部的温度变化，以及通过膜电极组件和通过堆内的每个电池的温度分布。第二个分析是确定影响燃料电池中热分布的主要因素
数学和计算模型的描述
该堆叠由串联连接的五个单电池组成。 仿真域的示意配置如图1所示。 在阳极板中使用蜿蜒流动图案，并且在阴极部分中设置直通道图案。 设计的主要特性列于表1。 图2示出了浇铸在双极板上的两种流动模式及其尺寸的3D视图，其面积为31.2cm 2。
PEM燃料电池堆的几何形状包括膜电极组件（MEA），气体扩散层和板。 使用具有16,000,000个元素的六面体网格来解决计算模型。 此外，网格独立研究使用三个层次的网格。 结果显示相对于使用规则网获得的变化约0.02％。 MEA和气体扩散层位于收集器板之间，它们的尺寸示于表2中。
边界条件
使用Gambit进行几何，网格和边界条件定义，之后将网格导出为Fluent。 以下边界条件定义为：阳极和阴极通道的入口（质量流量入口）和出口（压力出口） 表面（墙型）作为阳极和阴极的电流集电极; 和MEA的各组分与气体扩散层（内部）之间的连续性。
假设
在PEM燃料电池堆内发生的运输现象通过质量守恒，动量，能量，物质和电荷传输（But-lereVolmer）的控制方程来建模。 考虑执行计算模型的假设如下：（1）稳态条件，（2）非等温操作，（3）通道中的层流，（4）各向同性多孔区，（5）气相中物质的传输，（6）电化学反应发生在催化剂层表面上。 （7）在PEM燃料电池堆中考虑非歧管，每个膜电极组件或单个电池单独供应。
数学模型
用于解决计算模型的控制方程在澳大利亚报告的早期工作中讨论[21]。 表3中列出的这组方程对应于：质量守恒，动量，能量，物质和电荷传输方程。
之前的命名方程耦合到电化学模型以计算在PEM燃料电池内发生的运输现象和反应。 转移电流通过Butler-Volmer公式计算：
其中jref是交换电流密度，H2yH2，ref是局部和参考（NTP条件）物质浓度。 第一项（i）是电极 - 电解质界面处的浓度，[i] ref是参考或体积浓度; g是浓度系数，a是传递系数，h是等式（20）和（21）中定义的激活损失，F是法拉第常数（96,487 C mol -1）。
阳极和阴极的表面过电位分别与固相和膜的电位场4sol和4mem相关，并且由下式给出：
膜性质如离子电导率和水含量l通过由Springer [11]从方程（22）和（23）建立的相关性建模，这些性质被计算为水活度a的函数：
从表3中给出的控制方程和电化学模型（方程（18）和（23）），所有传输现象在PEM燃料电池堆的计算模型中求解。
运行条件
模型中使用的操作条件和电化学参数分别列于表4和表5中。 在仿真模型中，在实验中使用相同的正常操作条件。 这些操作条件设置在流入口以及出口。 两个操作条件作为电化学参数对应于PEM燃料电池的部件的共同性质。 这些参数从作者报道的以前的研究中获得[21,22]，只有质量流量使用文献[5]中报道的方程计算。
解决方法
该模型用ANSYS / Fluent软件求解。 使用具有Intel Xeon X5660 2.80 GHz处理器和48 GB RAM的工作站来执行计算。 每个模拟在约850次迭代之后收敛，并且对于每种情况花费约24小时。
结果与讨论
为了验证本研究中开发的模型，将模拟结果与先前获得的实验数据进行比较。 表6显示了在Horizon PEM燃料电池堆（H-100）中使用的实验操作条件，在卡门自治大学的能量实验室中在正常操作条件下进行实验。 根据供应者提供的信息将氢气流速提供给电池堆。
图3表示实验数据与通过极化曲线的模型结果（电压在五个电池上取平均值）之间的比较。 实验和数值数据之间的差异可归因于组件的性质。对于模拟模型，作者考虑了PEM燃料电池的常见材料，例如：Nafion膜117，作为气体扩散层的碳纸和40％Pt / Vulcan的催化剂层。 这些材料的物理性质可能与实验燃料电池略有不同。 此外，模型中单相的考虑导致更高的燃料电池预测性能，然而计算值与实验结果一致，相对误差为1.3％。 同样重要的是，燃料电池被密封在板和膜电极组件之间。 水平燃料电池从未有争议或打破验证流场的类型。
反应物的浓度分布
3D模型使得能够预测影响堆栈行为（例如物质浓度）的各种参数的分布和可视化。 这些参数随着电压变化而变化，因此，呈现两个电压值的去曲线。 图 图4和图5分别示出了对于每个燃料电池的0.6V和0.8V的电位的堆叠中的氢（阳极）和氧（催化剂）的质量分数分布。如在阳极催化剂层中观察到的，氢的浓度沿着用于低电压值的通道改变，在更高的电流值下消耗更多的氢。 此外，在氧气入口位于的电池堆的左侧，氢气浓度增加。还观察到在出口附近的左角的热点。 由于电化学反应中物质的消耗，氧浓度（图5）从通道的入口到出口逐渐减小。 此外，对于较低的电压值（0.6V），由于较高的反应速率，氧浓度沿着通道减小，然而，对于较高的值（0.8V），分布曲线更统一。
图 4e具有蛇形多通道的PEMFC叠层中的氢的浓度分布，用于a）0.6V，b）0.8V。
图 5 e具有直通道的PEMFC堆中氧的浓度分布a）0.6V，b）0.8V。
图 6 e PEMFC堆叠中的横截面[K]的温度分布，a）0.6 V，b）0.8 V.
温度分布 图6示出了整个堆叠中的温度分布。在阴极的入口处可以观察到最低温度，其中在300K的温度下供应氧。
图 7 e反应热源分布在DemoPEMFCstack [W-3]中fora）0.6V，b）0.8V。
图 8 e PEMFC堆中的欧姆热分布[Wmiexcl;3] a）0.6 V，b）0.8 V.
图 9 e PEMFC叠层中的电流密度分布[A m -2] a）0.6 V，b）0.8 V
另外，温度分布从设置在环境温度的内侧到外侧减小，可以从堆叠的中心和顶部/底部观察到9和10K之间的变化。 对于较高的电压值，温度分布更均匀。 此外，可以观察到，由于电化学反应和欧姆加热，在催化剂层中存在最高温度。
在PEM燃料电池中的热主要由于两个原因而产生，例如电化学反应和欧姆加热。 图7和图8分别示出了反应热源和欧姆热源。两个轮廓的行为与跨越每个电池和堆的温度变化匹配。 在大堆中，热传导不足以去除过量的热量; 因此，需要结合冷却方法或新设计的建议来维持堆叠内部的最佳温度。
电流密度分布
图9示出了用于五个膜电极组件的阳极气体扩散层处的电流密度情况。 固定的电势与其他情况下相同，为0.6V和0.8V。在分布轮廓中，观察到在靠近氧气出口的肋处存在较高的电流密度值。 发生这个情况是因为膜是充分水合的，因此离子交换更好，电化学反应更有利。 此外，电流密度分布的模式类似于欧姆加热分布，这可以解释这些区域的加热原因
结论
在本研究中，使用CFD商业代码开发了三维，单相PEM燃料电池堆模型。 对具有串联连接的五个单电池的堆进行数值模拟。 数值结果表明，该模型可以预测温度变化，以及通过膜电极组件和通过堆内的每个电池的温度分布。 在这种情况下，较高的温度值示出在阴极的肋处并且靠近阴极的出口流，并且在入口处示出较低的温度值。 还提出了反应热源和欧姆热源的轮廓。 该模型是进一步开发PEM燃料电池堆的堆叠设计和流场的重要步骤。
致谢
作者衷心感谢卡门大学认可计算机设备中的数字模拟和使用Ansys-Fl ent 15.0软件许可证。 此外，作者承认Red Tematica PRODEP 2015提供的材料在本工作中使用的材料。
参考文献
[1] Panwar NL, Kaushik SC, Kothari S. R
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资料编号：[142933]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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