质子交换膜燃料电池三维数值仿真研究综述.docx

质子交换膜燃料电池三维数值仿真研究综述 0 引言质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)将化学能直接转化为电能，具有效率高、零污染、工作温度低等优点，在交通、便携式电源和分布式发电等应用领域拥有广阔前景PEMFC是一个多物理场耦合的非线性系统，其性能受到双极板(bipolar plate，BP)结构、操作参数、催化剂性能等因素的影响PEMFC数值仿真模型可分为四类：零维、一维、二维和三维模型。通常说来，零维数值仿真模型用于PEMFC控制或输出性能的研究。一维模型中沿气体通道、气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)、催化层(catalyst layer，CL)中的物质浓度被设为常数，质子交换膜被假设为充分润湿利用三维数值模型准确揭示PEMFC内部水热分布和不同流场对PEMFC性能的影响、辅助加速研究进程和减少研究成本已成为研究的热点。以下内容中，第一部分对三维数值模拟方法进行介绍。第二部分阐述三维数值仿真对PEMFC中水的模拟。第三部分综述三维数值仿真在PEMFC流场设计中的应用。第四部分概括三维数值仿真在研究PEMFC其它方面的应用。最后进行总结和展望。1 PEMFC三维数值仿真PEMFC模型通常包括质子交换膜、CL、GDL、BP和气体流道，更复杂的模型还包括微孔层(micro-porous layer, MPL)和冷却液流道模型假设根据具体研究问题而定，例如PEMFC三维数值模拟往往面临计算资源要求高、模型收敛难度大等问题，在实际应用中常受一定的限制。随着计算机计算性能的提升，三维数值仿真方法在未来PEMFC的研究中将占有更加重要的地位。2 PEMFC水的模拟PEMFC工作原理是：氢气经由阳极通道传输，穿过GDL和CL扩散到达催化区域反应产生氢离子，氢离子以水合氢离子的方式穿过质子交换膜，与到达阴极侧CL的氧气发生电化学反应并生成水。阴极侧的水含量大于阳极侧水含量，阴极和阳极侧流道、GDL和CL中水的分布和运动状态存在巨大差异。此外，水的反向渗透和电化学反应均会改变CL中水的分布。由于维持质子交换膜及阴极和阳极侧水分布的均匀性对提升PEMFC耐久性、稳定性和输出性能均具有重要意义。因此，一方面，CL内应保持足够多的水以维持膜的水合性，另一方面，应去除过量的水，以免阻塞气体的传输。一般而言，三维数值仿真对PEMFC内水的模拟常分为两相流模拟、液态水运动模拟和水淹模拟。2.1 两相流模拟三维PEMFC数值仿真模型可分为单相模型和多相模型。单相模型仅考虑气态水的存在，然而，PEMFC运行中伴随着相变现象，如水蒸气在流道中冷凝。为了更准确地模拟PEMFC中水的状态及其分布，通常在PEMFC三维数值仿真中引入两相流模型。文献[12]研究了水在单直阴极通道中的运动，模拟了通道位于水平方向和垂直方向、出水口在不同位置、不同亲疏水性和不同气体流速条件下反应物传输和水去除过程。结果表明，疏水底壁通道的排水速度比亲水底壁通道快，但会产生较大的压力损失，此时水以液滴的形式存在，后者则以薄膜的形式出现；重力对水的运动有一定影响，但随着进气速度和进水流速的增大，重力对水运动的影响变小。两相流的产生、传输和分布均会影响PEMFC系统的性能2.2 液态水运动模拟在PEMFC工作过程中，液滴会随机地从GDL表面溢出，研究液滴的运动对改善组分分布均匀性、提升排水能力和避免水淹故障均具有指导作用文献[23]模拟了阴极流道内的液滴流动，液滴从位于疏水底壁的两个相邻孔洞中冒出，研究了流道亲水性对液态水去除、液态水覆盖情况以及气压降的影响。与两个单独的小液滴相比，两个相邻液滴的结合能提高除水能力；在亲水性侧壁生成的液滴会向通道上部的流道壁附着，防止液态水覆盖于GDL表面；此外，疏水性侧壁可能会导致液态水堵塞气体通道以及气流速度下降。文献[25]对PEMFC正弦形流道内的液滴运动进行数值仿真，并研究该通道形状和通道壁接触角对液滴去除的影响。研究液态水从GDL表面溢出的过程及之后的运动规律对确保PEMFC高效运行有重要意义。然而，目前大多数研究均在等热假设下进行，液滴的蒸发、冷启动条件下液滴的运动以及水/冰共存情况下的运动研究缺乏。对液滴的动态仿真碍于计算量的限制，通常简化为单直通道中的单个或多个液滴，单片电池或堆中液滴的运动并未得到充分研究。此外，多孔层结构、不同流道形状等对液滴运动的影响也需要更进一步的研究。2.3 水淹模拟PEMFC运行过程中常出现水淹或膜干故障状态。水淹是指由于液态水含量过多堵塞气体流道或GDL而造成PEMFC性能下降的现象文献[32]利用渗透理论推导出多孔电极的