【《燃料电池单体数学模型分析综述》2400字】

燃料电池单体数学模型分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u12764燃料电池单体数学模型分析综述 170111.1燃料电池简述 125201.1.1燃料电池原理和元件 1266341.1.2PEMFC输出性能表征 342771.2燃料电池数学模型描述和假设 5197411.3燃料电池基本方程和源项 5133371.3.1质量守恒方程 5113201.3.2动量守恒方程 6306141.1.3能量守恒方程 624301.3.4组分守恒方程 626091.3.5电荷守恒方程 7首先对燃料电池的基本方面进行概述，介绍了基本的原理以及常见的结构部件，然后再简单介绍燃料电池输出性能的表征，然后针对燃料电池单体进行了基本的数学建模和分析。1.1燃料电池简述1.1.1燃料电池原理和元件质子交换膜燃料电池由质子交换膜(PEM)、阴阳极催化层(CL)、阴阳极气体扩散层(GDL)和有不同流道的双极板等构成，湿润的空气/氢气各自从阴阳极流道流入，部分空气/氢气通过阴阳极扩散层的对流扩散到催化层，氢气催化为电子和离子状态的氢，氢离子借助电渗拖拽通过质子膜到达阴极催化层，而电子从负载回路到阴极催化层，氧气与氢离子和电子反应产生水同时获得热和电能[20]，图2-1是反应原理示意图。阴阳极化学反应表达式和总反应表达式如下。图2-1质子交换膜燃料电池(PEMFC)原理示意图燃料电池本身的基本原理较为简单，繁杂的是整个电池的内部反应，有气液两相流，反应气体强制对流及扩散，质量传输，膜内质子传输，冷却介质间的热传导，电化学反应等流程，往往一个部件里面有多个反应发生。燃料电池的核心部件为质子膜，将电池的阴阳极分开，要求质子导电性高，电子绝缘性好，在运作过程中国的机械和化学性能平稳。现在，杜邦公司制造的Nafion系列膜应用广。在电池运转时质子与水结合从膜的阳极向阴极传递，膜的含水程度决定了导电性，膜的温度也有影响，通常膜含水量随温度指数的上升而增加。图2-2催化层示意图催化层是涂有催化剂层，在多孔电极和聚合物膜交界处，催化剂表面上发生各种反应，这个部位有电子、质子和反应气体互相反应，故也叫三相边界，如图2-2。在活化催化层涂层生产时，有效活化面积要尽可能的多，同时减少铂的量，使颗粒状的铂散步在载体上。但是，在高电位，高温，高氧时，氧和碳会反应，故活化面积变小。并且工作参数也能对催化层造成伤害，比如分布不均的反应气体，波动大的温度和电压都使催化层腐蚀，降低电池寿命和性能。气体扩散层使气体输送效率提高，要及时除去阴极催化层的液态水，避免水淹。扩散层得维持整个膜电极，故要求足够的刚度，还需柔性来确保催化剂微粒电接触良好，电子传输接触阻抗减小。双极板是燃料电池的一部分，反应气体流道存在于双极板的两面，是反应气体进来的管道，还要排出反应的废水，组成电堆的单体电池借助双极板来连接，两侧分别接触不同单体电池的阴阳极。极板的中间部分一般还有冷却剂流道，来稳定电池温度。双极板的材料一般用石墨，大规模堆叠中应用受限。另一种材料是金属，机械强度好，导电性高和制造成本小，厚度甚至能降到约1毫米，可以大规模应用，使得燃料电池的性能上升和成本下降。缺点是金属界面接触电阻大和长期耐腐蚀性差。1.1.2PEMFC输出性能表征图2-3标准电压极化曲线如图2-3，用电压极化曲线来表现燃料电池输出性能，电流密度和输出电压的乘积是功率密度与电流密度的功率密度曲线，不过，燃料电池的输出电压又总是低于电池开路电压，因为有不可逆损失，体现为三类电压损失，即欧姆电压损失，活化电压损失和浓差电压损失，在不同的电流密度区域，三种不可逆损失导致不同的过电势，因此电流密度的增加，输出电压减小，而燃料电池的功率密度随电流密度的增加而上升，达到峰值后迅速下降[20]。图2-4，是各种电压损失随电流密度的变化趋势。活化电压损失在低电流区是主导因素，以对数规律变化；欧姆电压损失在电流中间区为主要因素，呈线性变化[20];浓差电压损失在高电流区域为主要原因。如何使给定电流下的过电压的损耗变小是燃料电池设计优化中的重要目标，从而使得电池输出性能和效率上升。图2-4各损失随电流密度的变化规律1.2燃料电池数学模型描述和假设作为一个繁杂的强耦合多物理现象体系，燃料电池本质上是电流传输、能量、动量、组分和质量等守恒定理的解[21]，某些方程可以表示燃料电池的特定现象，例如Stefan-Maxwell定律描述多组分扩散；傅里叶定律表示热传导。基本假设如下:1)理想气体的规律和性质可以应用到所有气体上。2)电极和膜材料各向同性，液态水传输由多孔介质中的毛细管压力驱使。3)假设流体是不可压缩层流，是低雷诺数的流动。1.3燃料电池基本方程和源项燃料电池模型完整地来看有九个计算域，即质子膜，阴阳极流道，阴阳极催化层，阴阳极气体扩散层以及阴阳极双极板[22]。每个部位都由电荷，能量，质量，动量，电化学反应和组分传输等方程来控制。1.3.1质量守恒方程质量守恒方程主要应用于催化层(CL)、扩散层(GDL)以及气体流道: (2-1)即CL和GDL的孔隙率，即混合气体的矢量速度，即混合气体密度,即质量源项。由理想气体方程得: (2-2)是混合气体压力(Pa)，表温度(K)，为气体常数，表示气体组分的质量分数,为摩尔质量。1.3.2动量守恒方程动量守恒方程应用于CL、GDL和气体流道等多孔介质计算域: (2-3)为动量源项，即有效动力黏度，混合动力学理论里对于理想气体动力黏度的公式为: (2-4) (2-5)即为组分动力黏度，即为气体组分的摩尔分数，即为组分的摩尔质量。1.1.3能量守恒方程能量守恒方程适用所有计算域，如下: (2-6)即混合气比热容，为能量源项。即有效导热系数。1.3.4组分守恒方程组分守恒方程应用于各气相组分的计算: (2-7)即为组分扩散通量，即组分源项，即为组分的质量分数，公式为: (2-8)即组分有效扩散系数，的公式为: (2-9)为多孔介质的曲折度，即多孔介质孔的平均流动路径与厚度的比，一般≥1，一般默认曲折度为1.5。为气体扩散率。水在电解质膜中的扩散系数为:(2-10)氧气、氢气扩散系数如下: (2-11) (2-12)1.3.5电荷守恒方程化学能变成电能的同时也在进行着电荷传递，整个过程符合电荷守恒方程，电子在气