质子交换膜燃料电池水热管理特性研究_姚安琪.pdf
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1、2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期:2022-08-26基金项目:上海市科委项目(19DZ1206202)作者简介:姚安琪(1997),女,上海市人,硕士研究生,主要研究方向为燃料电池水热管理。通信作者:于立军质子交换膜燃料电池水热管理特性研究姚安琪1,曹亚平1,刘单珂2,于立军1,2(1.上海交通大学 中英国际低碳学院,上海 200240;2.上海交通大学 智慧能源创新学院,上海 200240)摘要:质子交换膜燃料电池水热管理问题是影响电池输出性能的一个重要因素。建立了带冷却流道的三维、两相、非等温单直流道PEMFC模型,并运用计算流体力学(CFD)对燃料电池进行数值
2、模拟,以温度、物质质量分数、膜水含量等水热管理关键因素揭示电池内部传质传热过程和电化学特性。同时研究了不同反应气体进气方式、冷却水流动方向及冷却水温度对 PEMFC输出性能的影响,为燃料电池的水热管理优化、实现产业跃进式发展提供参考。结果表明:若燃料电池产物水未及时排除,阴极侧流道尾端易出现水淹现象;当PEMFC采用同向顺流或同向逆流模式时,当冷却水温度等于电池工作温度(353 K),膜温度和水含量分布较为均匀,燃料电池的输出性能较好。关键词:质子交换膜燃料电池;数值模拟;水热管理;冷却流道中图分类号:TM911.4文献标识码:A文章编号:1002-087 X(2023)03-0341-07D
3、OI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.016Research of hydrothermal management characteristics of protonexchange membrane fuel cellYAO Anqi1,CAO Yaping1,LIU Shanke2,YU Lijun1,2(1.China-UK Low Carbon College,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.College of Smart Energy,Shanghai Jiao Tong
4、University,Shanghai 200240,China)Abstract:The hydrothermal management of proton exchange membrane fuel cell is an important factor thataffects the output performance of the cell.A three-dimensional,two-phase,non-isothermal single-channelPEMFC model with cooling channels was established,and the fuel
5、cell was numerically simulated bycomputational fluid dynamics(CFD).The mass and heat transfer process and electrochemical characteristics inthe fuel cell were revealed by the key factors of hydrothermal management,such as temperature,mass fractionand membrane water content.At the same time,the influ
6、ence of different reaction gas inlet mode,coolingwater flow direction and cooling water temperature on the output performance of PEMFC was studied,whichprovide reference for the optimization of hydrothermal management of fuel cell and the realization ofindustrial leap-forward development.The results
7、 show that if the fuel cell product water is not removed intime,the tail end of the cathode side flow channel is prone to water flooding.When PEMFC adopts co-downstream or co-countercurrent mode,when the temperature of cooling water is equal to the batteryoperating temperature(353 K),the distributio
8、n of temperature and water content in the membrane is moreuniform,and the better output performance of the fuel cell can be obtained.Key words:PEMFC;numerical simulation;water and thermal management;cooling channel随着世界各国的科学技术和国民经济持续、快速发展,人类对于能源的需求日益增长,但目前仍以传统化石能源为主要供给源,受到技术水平和卡诺循环机理的限制,其存在能源转换率低、不可再
9、生和环境污染问题,同时我国还存在富煤、少气、贫油的能源结构及资源分布不均的问题。因此,面对能源危机、环境恶化、人民日益增长的美好生活需要等多重压力,通过能源结构转型升级,寻找一种清洁、高效、可持续的新型替代能源迫在眉睫。氢能,因其资源分布广、能源利用率高、清洁环保、可持续可再生,被誉为21世纪的“终极能源”1,成为了各国能源战略布局的重要组成部分。质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC)是氢能的一个典型应用方案,由于其工作过程不涉及燃烧、不经过热机过程,故而不受卡诺循环效率限制2,能源转化效率可达40%60%3-4。同时,质子交换膜燃
10、料电池还具有能量密度高5、工作温度低6、启动速度快、无机械振动等优点,在备用电源、移动便携式电源、交通运输、固定式电源等领域有着极为广泛的应用前景7-10。1 电池原理及研究内容1.1 电池结构及工作原理质子交换膜燃料电池主要由双极板和膜电极组成,单电池结构示意图如图1所示。PEMFC以氢气和氧气(空气)为原3412023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计料,利用二者间发生的电化学反应将氢能转化为电能。在燃料电池反应过程中,气体燃料(氢气)被连续送入阳极流道进入阳极扩散层,通过扩散层的作用进入活性区域与阳极催化层接触,在阳极催化层中的催化剂表面发生氧化反应,氢气被分解成H+和 e,H+
11、经过质子交换膜到达阴极,电子通过阳极集流板流经外电路到达阴极集流板,进而产生直流电流。与阳极气体扩散方式相同,氧化剂(氧气或空气)通过阴极流道进入阴极扩散层进而达到阴极催化剂层表面,与经过外电路到达阴极的电子以及穿过质子交换膜到达阴极的 H+发生电化学反应产生水并放出大量热,最后产物水和过剩的氧化剂气体一同被排出电池。1.2 研究内容质子交换膜燃料电池的工作过程涉及复杂的物理化学、内部传质传热及电、水、热多物理场耦合,电池温度过高或过低会引起电堆内部出现“水淹”、“局部热点”等水热管理问题。良好的水热管理是维持 PEMFC内部水含量和工作温度处于适当范围、保障电池高效稳定可靠运行和延长电池寿命
12、的关键之一。因此,本研究建立带冷却流道的三维、两相、非等温单直流道PEMFC模型,通过数值模拟以温度场、物质质量分数、膜水含量等水热管理关键性因素揭示电池内部传质传热过程、电化学特性和物质分布情况。同时研究了不同的反应气体进气方式、冷却水流向及冷却水温度对 PEMFC 输出性能的影响,为燃料电池的水热管理优化、实现产业跃进式发展提供参考。2 建模与仿真2.1 数学模型2.1.1 质量守恒方程根据质量守恒定律,PEMFC 的连续性方程(质量守恒方程)为:()t+(u)=Sm(1)式中:为多孔介质孔隙率;为气体混合物密度;Sm为质量源项。2.1.2动量守恒方程PEMFC的动量方程表示为:(u)t+
13、(uu)=-p+(u)+Su(2)式中:为流体动力粘度;Su为动量源项。在气体流道内,动量方程可转化为 Navier-Stokes 方程。在气体扩散层中,假设存在的多孔介质为均相且流体流动状态为层流,忽略动量源项中的内部损失项,动量方程简化为Darcy定律11:u=-Kp(3)式中:K为多孔介质在气体扩散层中的渗透率。2.1.3 能量守恒方程由于燃料电池内部不考虑流体因粘性作用导致的热耗散,稳态PEMFC能量守恒方程为:(cpT)t+(ucpT)=(kT)+ST(4)式中:cp为气体混合物的定压比热容;k为气体混合物的导热系数;ST为热量源项,主要包括电化学反应、过电势、阻抗和水相变过程等产生
14、的热量。2.1.4组分守恒方程燃料电池内部化学反应主要涉及反应物氢气、氧气和生成物水等组分,因此PEMFC组分守恒方程为:(ci)t+(uci)=(Deffkci)+Sk(5)式中:ci为组分浓度;Deffk为组分有效扩散系数;Sk为组分源项。氢气、氧气及三相边界(催化剂层)中溶解水的组分源项表示为:|SH2=-Mw,H22 FRan 0SO2=-Mw,O24 FRcat 0(6)式中:Mw,H2、Mw,O2和Mw,H2O分别为氢气、氧气和水分子质量;F为法拉第常数。2.1.5 电化学特性方程电化学最重要的部分是计算阳极和阴极反应速率12-14,而化学反应背后的驱动力是表面过电势,即固体与电解
15、质/膜之间的相位差。固相电势是由于电子在催化剂层、多孔介质层和集流板等固体导电材料之间的传输导致存在的电势差异;膜相电势是由于氢离子和阳离子在催化剂层和膜之间的传输导致存在的电势差异。电子传输平衡(sol)和质子传输平衡(mem)方程为:固相电势:(solsol)+Rsol=0膜相电势:(memmem)+Rmem=0(7)式中:为电导率;为电势;R 为电势源项,由 Butler-Volmer方程计算得出:|Ran=anjan(T)(A Aref)an(eananFan/RT-e-ancatFan/RT)Rcat=catjcat(T)(C C ref)cat(-ecatamFcat/RT+e-c
16、atcatFcat/RT)(8)式中:j(T)为单位有效比表面积的参考交换电流密度;为有效比表面积;Aref,Cref分别为阳极和阴极单位体积物质的参考摩尔浓度;A,C分别为阳极和阴极的反应速率;为浓度指数;an和 cat分别为阳极和阴极的传输系数;为表面过电图1质子交换膜燃料电池单电池结构示意图3422023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计表 1 几何模型各区域尺寸参数表 mm 区域 长度 z 轴 宽度 x 轴 高度 y 轴 双极板(bipolar plate,BP)25.000 2.000 2.000 冷却流道(cooling channel,CC)25.000 1.000 0.
17、500 气体流道(gas channel,GC)25.000 1.000 1.000 气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)25.000 2.000 0.200 催化层(catalyst layer,CL)25.000 2.000 0.010 质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)25.000 2.000 0.025 势。动力学的驱动力是表面过电势,也称为活化损失,计算公式为:an=sol-mem-U0ancat=sol-mem-U0cat(9)式中:阴阳极半电池电压 U0cat、U0an通过能斯特(Nernst)方程求得,具体表示为:|U
18、0an=E0an-San2 F(T-T0)-RT2 Fln(pH2p0)U0cat=E0cat+Scat2 F(T-T0)-RT2 Fln(pH2OpsatpO2p0)(10)式中:psat为饱和水压力;pH2、pO2和pH2O分别为氢气、氧气和水蒸气的分压力;T0和p0分别为标准状态下的工作温度和工作压力;E0为可逆电位;S为反应熵。对于 PEMFC 而言,开路电压即电池电极上相对于标准电势的氧化还原反应对的平衡电压,具体表示为:E=E0+RTnFln(pH2p0.5O2pH2O)(11)式中:E0为标准电势;n为电化学反应转移电子数。2.1.6 水传输控制方程由于 PEMFC的运行温度较低
19、(100),水以三相存在,水蒸气可能凝结成液态水,特别是在高电流密度下,阴极侧反应生成的溶解水,根据其局部偏离平衡状态,一部分可能转化为液相或气相。溶解相水存在于催化剂层(离聚物)和膜中,其产生和运输过程的方程为:(12)式中:?im为离子电流密度;为溶解相水含量;nd为渗透阻力系数,即电渗透拖拽系数;Diw为膜中水分扩散系数;S为催化剂层中阴极侧反应生成水的速率;Sgd为气相和溶解相之间的质量变化率;Sld为液相和溶解相之间的质量变化率。液态水存在于所有的多孔电极、质子交换膜中,液态水输送的驱动力是液体压力梯度,计算公式为:t(ils)=(lrlpl)+Sgl-Sld(13)式中:l为液体动
20、力粘度;s 为液体饱和度;pl为液体压力;Sgl为气相和液相之间的质量变化率;K为绝对渗透率;Kr为相对渗透率,具体表示为:|气体扩散层:Kr=sb质子交换膜:Kr=|Mw,H2Ols=1+EWiMw,H2Ol+EWis=12(14)液态水也存在于气体通道中,液态水离开气体扩散层后进入气体通道,其液态水传输方程为:t(ls)+(l?vls)=(Dliqs)(15)式中:Dliq为气体通道中的液态水扩散系数;?vl为液体速度、气体速度与液气速度比的乘积。2.2 几何模型本研究运用三维制图软件SOLIDWORKS建立了带冷却流道的三维、两相、非等温的单直流道 PEMFC 几何模型,如图 2所示,模
21、型尺寸为 25 mm2 mm2 mm,几何模型各区域具体的尺寸参数如表1所示。燃料电池结构主要包括阴阳极极板、阴阳极气体扩散层、阴阳极催化层、质子交换膜、阴阳极气体流道、阴阳极冷却流道。2.3 数值模拟2.3.1 数值模拟流程本研究运用 ANSYS FLUENT 软件导入 MESH 网格文件,调用 PEMFC 模块,设置各项模型参数及边界条件,并对模型进行调试、网格无关性验证及数值模拟。具体的模型数值模拟流程如图3所示。当前后两次迭代满足收敛性判定条件时,认为模型求解过程获得收敛解,模拟可以直观具体地2diiw,H Omwwgilwdd()()()nMiMtEWFMSSDS+=+?图2质子交换
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