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1、t 1l 碣1 j 挥热物删，会 传热传赝学 ! j ：靛会议沦文 编I ，：0 6 3 3 9 7 强彻体力场下质子交换膜燃料电池 性能的初步研究 常欧亮常海萍 商京航守航天人学i l I l l1 i 动力学院，l j 京，2 1 0 0 1 6 T e l ：( 0 2 5 ) 8 4 8 9 2 2 0 0 - 2 31 2 ，E m a i l ：w i c w a w a h o t m a i l C 0 1 1 1 摘要本义辛J 步州究J 强彻体，J 场( 1 0 G ) 对质了交换膜燃料IL l 池阴掀水管理和l U 流索皮的影响。通过 1 j 微彻体力场( 1 G ) 情况
2、姐行比较。发现当彻仆h 方向j 流道1 7 r 时。性彻休J 场将促进或阻碍I U 池 内J 班气的排除。当 埘f 水力方向，流道巫直时，强彻仆J 场将影响IL l 池内气休燃料的 J 散传质，从I 町改 ，殳IL l 流心I I I 度的人小，加人阴极水管理的难度。模拟结果 u 2 ，j ， ：只考虑气体组分的情况下，强彻体力 场对f 【l 池内气体扩散的影 j 4 - ；u # J L 1 2 。本文丁作为n i 航天航空环境下长时间稳定使用质了交换膜燃科l l l 池琏、，：r 必炱的理论坫础。 关l 迂训质r 交换膜燃料f U 池强彻体力场数值模拟阴极水管理 1 前言 。 质f 交换膜
3、燃料电池( P r o t o nE x c h a n g eM e m b r a n eF u e lC e l l ，简称P E W C ) 由丁 能化较低7 呲F I 皮卜I ：作，结构简单，启动时间短等特点，住航空肮大领域有J “阅的应用前 景。P E W C f I 圳Z - 匕E 不仪体现住电池功率或I 乜池极化曲线( 即电流密度与1 ：什电压的关系) ， 而且电池能否K 时间稳定I ：作也1 卜常重要。P E M F C 通常1 ：作在水蒸汽饱和状态的开端， 质子交换膜的龠水蜮太低将使膜的叱阻增人，并火之：I ：作能力，太高义会将催化层淹没， 抑制化学反应和氢气、氧气向催化层
4、的传递，冈此，为了提高电池性能。国内外学者1 】【2 1 对P E M F C 的水管理做了J 。泛研究，如何设计流道使水气从阴极有效的排出是研究热点， 基原理就是维持适当的有效进出口乐力降，冈为这是水气流动的主要动力。酱遍认为， 微彻体力场( 1 G ) 对阴极排水影响较小，但当P E M F C 应州丁航空航天领域，较高的飞行过 载，外太空星球强人的引力场，变化的彻体力方向等，将使彻体力对燃料的传质，尤其 是x Il l j 极水管理的影u 向发生新的变化。强彻体力场到底对燃料电池性能有多人影响，这 对 】：可锩性要求极高的航空航大应川是很重要的问题。 本文将延心数值计算的方法模拟缇彻体力
5、场对L 岜池性能的影响。通过建立一个 P I - W C 的豇流道：维数。学模I ! ，综合考虑E l I 池内的流动、传热、传质、电化学等过程。 1 ：玎向的世彻体J 场对I - t H t ! l q 气体燃料传质。尤j 芒烛对阴极排水的不同影响将被讨 沦。五行将分析盟l l s J f 各力场对l 岜流密度的影响，) f ! j 微彻f 本力场卜的模拟结果进行比较。 2 模魁 2 1 数学物理模型 P E M F C 的汁藓域包含了1 1 f 极、阴极两个主流道，分剧被两个扩散层、两个位化层和质：f 变换膜分；r I ：，如l 矧1 。流道沿轴向( Z 方向) 怂5 c m ，：1 -
6、| 哉而 ：仃0 1 c m 高( Y 方向) X0 0 8 c m 宽( X 力m ) 的j 流j 煎。阴刚两个扩敞层足0 0 5 c ml ，0 1 6 c m 宽，5 c m 长。同 l 。两个 舵化止：怂0 0 0 3 2 c m 商，0 1 6 c m 宽5 c mK 。质f 变换H I ! ； j ! f j 采j = t - J f ；( D o w - p o i n t ) 公州的 1 8 2 8 图IP E * F C 三维模型j 1 _ 犹，J i 溶 n a f i o n l l 5 ( 全氟磺酸) ，厚度为0 0 1 2 8 c m ，宽0 1 6 c m ，长5
7、c m 。为：1 ，约计算机资源， 只采用一个直流道，其形体相当于截取了实际单电池的一个流道。 本文戍用了如卜假设：只考虑3 种组分，氢气、氧气和水蒸气；流体是连续介质， 流动为层流，冈为在电池内流体的流动速度较小，雷诺数较低：多孔介质是各向同性的， 多孔介质层具有相同的特征参数，如渗透率；质子交换膜对除水外的其他组分是不可渗 透的，即阴、刚极的多宝f 1 分在备白流道里传递：在某些情况下，电池内温度达不到水的 沸一j 或过饱和蒸汽状态，将出现两相流，本文忽r o s y 两相流动；认为化学反应完全；此 外，n 州莫中，没川其他活动发生。 表l 模型方程和再计算区域源项 变 源项 目 守恒方程
8、主流 扩散层催化居膜 m - 追 赝 = 墨 如= o目 F ( 妒“) = 岛 S 。= 0 墨= O 里 动 F ( 旬Z 南户印+ v ( 掣v + 墨 墨：0 瓯= f p 踟p s l = 钍辔函8 疋= O日 里 氢气氧气 最甩， 删盯 阳极水嚣汽 组 = 一罢。凡， S f 2 0 分 r ( s p u 卅。) = f J I + 叠 S ，：0S 。= 0 阴极水紊气 二一扩一日础7 k r H A y 阴顿催化层 能 甲：q D = 甲( k 寸v T ) + z r 昌：0嚣= 0 S r - lX A o , ( 竿 甘 阳极催化层 岛一f 瓴力2 ，。 蟹 S r =
9、 j y 。刁 l8 2 9 2 2 模叮! 方稚 文中P E M F C 的模型方程运刈了一些、卜经验性的方程，尤其是针对质子交换膜中水的 传递的现象，但这些方程取白权威的文献f 1 1 。采川统一的方程形式描述整个计算区域中 的物理现琢，而 j 不同的源项和物性参数来反映电池内不同层的特定现象，见表1 。 其中： 。J , j t j 体力，住微彻体力卜( 1 G ) 可以忽略，口为每个质子从刚极：fv J N 极的净水 传递系数，其他具体表达式和说明可见文献1 3 1 1 4 1 。所有的源项币辅助方程都采刚F l u e n t 软什的U D F 编写成程序，再嵌入F l u e n
10、t 迭代求解。 2 ：j 边界条1 “ 1 军1 I 计算方法 设刚极进口、阴极进口为速度进口条1 ：，| ：刚极出口、阴极山1 = 1 为压力出I = 1 条仆； 采刚电池两组土流道外墅恒温边界条什，形成冷却面，其它所有外艟为绝热边界条r I ： 质子交换膜层设为I 司体域，其余各层分别设为流体域，以便在F l u e n t 软什中加载不同的 源项。 从表l 可以看山局部电流密度的求解是强1 卜线性的方程，本质上相当_ 丁迭代求解形 为I ( x ，Z ) = 1 nI ( x ，z ) 的方程。为使数值求解能稳定收敛，采用初值修正法与二二分法结 合。先采川较简单的电流方程，迭代一定次数，
11、当全场各参数数值与真实值接近时，再 将完全、复杂的电流方稃代入求解，避免了数值模拟的初场与真实情况相差甚远时，二 分法所改的两个端点无法将真实解包含在内从而导致程序进入死循环。 作为对1 卜线性I L U 题的蕾玎始值，本文明刚极进口参数在全场附初值，先不加入能量 方样。进行流场和乐力的求解。求得流场后雨加入能量方程的求解，整个过程约1 0 万步 一 可以收敛，即连续两次迭代的各个场的参数相对误筹为小丁1 1 0 - 。 表2 进j I u 条件 速度 2 0 5表J 卡1O m 扳i 【条件氯气质量分数 O 5 3m 极：| U 条件I 口I 流温度3 4 3 1 5 水质量分数 O 4 7
12、 | 口J 流水质量分数 l 速度 1 1表KO 阴极逃U 条件C 气质量分数 O 。8 阴极 l ；I - I 条件【口l 漉温度 3 4 3 1 5 水质量分数 0 2 I l 流水质量分数 l 3 结果与讨论 模1 t J 求角，J 所府川的物性参数取r 1D u t t a 笛f 3 l ，选取的l ：作参数都对应真实的匕行 嚣，l ：嘤米 奖1 硼勺v 一2 2 衙r k 能岖汽起降乜机删【 I 田“神州6 号太宅 船，I ：作 爪力足绝埘J 畏力1 0 1 3 2 5 P a ，电池冷却温皮是2 1 6 5 K 。农2 是进山口条什。I ：况总j 乓分 为五种，分) ；l j 对戍
13、四个不同方向彻体力场的情况( 见图1 ) 和微彻体力场的情况( 不考 18 3 0 虑彻体力) 。只考虑l ：作电压为0 5 3 V 的情况，彻体力人小取定值1 0 G 。具体分类见表 ： 。 表3T 况分类 T 况l23 4 5 阴、I ；| 1 极流动方向 l r d 向顺流H 向顺流I r 寸向月螟流州向J 顿流I r d 内顺流 彻你J 方向Z 轴负向Z 轴乖向 Y 轴负向 Y 轴正向无彻体力 3 1t I j 彻体力场对L 也池阴极水管理的影响 良女，的阴极水管理体现在水气能否高效率的从叱池内排出，即是否有较人的有效压 力降。有效进出口压力降是指由沿科压力损火造成的压力降鲅“ 火。阴
14、极水气流量越 人，岛协蝴火就越的人，水气也越易排除。当彻体力方向与流道方向平行时( 即：l ：况l 、 2 ) 彻体力场将会形成静力压著，如式( 3 - 1 ) ，从而影响阴极排水。 略= p aA h ( 3 一1 ) 式中：A h 是流道沿彻体力方向上的艮度，a 是彻体力场的加速度。 在微彻体力场下( 1 G ) ，彻体力对排水的影响较小【6 1 ，冈为气体的密皮较低，由彻 体力形成的a P ! I 也较小，可以忽略。然而在强彻体力场下，由彻体力引起的压力降已 经上流道总压力降吃为同一个数量级，冈此对丁I ：况l 、2 ，彻体力对阴极的世水产 生了截然不同的影响，如式( 3 2 ) 。 吃
15、= 民程损火+ f 嚣 ，( 3 - 2 ) 冗体模拟结果址。卜表4 ： 表44 i l 川T 况的阴极流道进U 压力降 T 况l 234 5 屹( P a ) 2 7 5 8 6 32 0 9 8 5 22 4 3 1 7 12 4 5 2 3 l2 4 3 8 4 l 阴极气休、I ，均密度( k g ( ：n ) 1 3 0 9 9 1 81 3 0 9 5 5 41 3 1 0 0 8 9I 3 0 8 5 6 11 3 0 9 5 1 4 A R ( P a ) 6 4 2 2 5 - 6 4 2 2 70OO A Y 姒( 2 1 1 6 3 82 7 4 0 7 92 4 ：j 1 7 l2 4 5 2 3 l2 4 3 8 4 l l j 】1 见，I ：况2 的B 描九较人，表明电池内水气排除的效率相对较高：l ：况l 的 1 8 3 l 吃烈覆火较小，表明电池内水气排除的效率相对较低。从另一个角度讲，模拟计算采 用的是速度进I T J f 压力山口，流耸一定，当彻体力方向与气体流动方向相反时，进出口 总乐力降屹较人，说明需要更多的压力降才能将相同流姑的气体排除，这就说明其效 率相对较低。从表5 也可以看出，对于：I ，：况2 具有相对较低的阴极平均水蒸气胯尔分数。 表54 i 问工犹的阴极流道f J jL 速度和水蒸气摩
