质子交换膜燃料电池汽液两相流研究

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1、质子交换膜燃料电池汽液两相流研究关键词：质子交换膜燃料电池；汽液两相流流型；计算流体力学；多物理场耦合0引言对质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行模型化分析研究，可以缩短电池开发时间、减少实验费用、对PEMFC的设计和运行具有指导意义。由于双极板上流道间筋的存在，其对反应物和生成物的传输具有阻碍作用，PEMFC内部的传质具有三维特性。目前的PEMFC数学模型多为一维或二维模型。PEMFC的一个显著特点是阴极反应的产物是水，由于电池运行温度只有80℃，生成水不能全部蒸发，而是随着阴极剩余气体一同排放，当电池的电流密度达到一定数值时，在电池内部将会形成气液两相流区域。由于PEM

2、FC在发生电化学反应产生电能的同时会产生一定的热量，而且这种反应是沿流道逐渐进行的，所以燃料电池的运行是个非等温过程。为此，建立了包括PEMFC阴极／阳极侧流道和气体扩散层、催化层以及质子交换膜在内的三维、两相、非等温数学模型。模型考虑了流道间筋的存在，使其具有三维特性；考虑了阴极流道和气体扩散层中可能存在的液态水，并利用相变公式仿真了液态水的生成，从而更加准确地仿真了燃料电池内部水的存在状态；同时考虑了伴随电化学反应的热量产生和传输，并把非等温的温度场和传质方程、电化学特性方程和膜中水传输控制方程相耦合。建模时同时考虑了PEMFC的三维特性、两相特性和非等温特性，仿真真实

3、性得以改善。1数学模型1.1计算区域由于交指流场有进口流道和出口流道之分，因此必须同时仿真相邻两个流道才可以完整分析交指流场PEMFC的内部流动和传输参数分布和电化学性能分布等电池特性，为了比较平行流场与交指流场PEMFCs之间的差异，因此在仿真平行流场PEMFC的时候也同样仿真相邻两个流道；又因平行流场和交指流场PEMFCs的每个流道本身都具有对称性，因此可以将流道沿中心对称面切开而只仿真半个流道，以减小计算量。由于上述原因，计算区域设定为图1中虚线包围的部分。图1和图2分别为PEMFC数学模型的三维计算区域和计算网格的横截面，并定义上部区域为阳极侧，下部区域为阴极侧，包

4、括两条阳极半流道、阳极气体扩散层和阳极催化层、质子交换膜、阴极气体扩散层和阴极催化层，以及两条阴极半流道。图1PEMFC三维计算区域图2PEMFC计算网格横截面1.2模型假设数学模型在建立时遵循以下假设：(1)电池在稳态条件下运行；(2)流体在流道中层流流动；(3)气体扩散层、催化层和质子交换膜为均相多孔介质；(4)流道和气体扩散层中的H2、O2和N2在液态水中的溶解性忽略不计。1.3控制方程与源项1.3.1质量守恒方程???(??u)?Sm式中ε为多孔介质的孔隙率，即多孔介质的孔隙体积占总体积的比例，在流道中其值为1；ρ为气体混合物的密度；u为气体混合物的本征速度矢量，在

5、多孔介质中，?u反映的是流过多孔介质单位横截面积的体积流量；Sm为质量源项，在催化层中，其值等于反应物和生成物的变化量与水的相变量之和，由下式计算：?1.3.2传质方程??????(??uC?)????J??S?式中为C?物质α的质量分数，α可以为H2、O2、H2O（气态）、H2O（液态）或N2为物质的α质量变化源项；J?为物质α的扩散通量，由下式计算：??????J?????D??C?式中D?为物质α的扩散系数。（1）阳极侧氢气的传质方程：式中CH2为H2的质量分数；SH2为H2的质量变化源项，计算公式如下：式中I(x,y)为当地电流密度；F为法拉第常数；MH2为氢气的摩

6、尔质量；ACV为比表面积，表示单位体积催化剂的表面积。（2）阴极侧氧气的传质方程：式中CO2为H2的质量分数；SO2为O2的质量变化源项，计算公式如下：MO2为氢气的摩尔质量（3）气态水的传质方程vvv式中Cw为气态水的质量分数；Sw,a为阳极气态水的质量变化源项；Sw,c为阴极气v态水的质量变化源项；Sw,p为气态水的相变源项；上标：v为气态；下标：w为水，a为阳极，c为阴极，p为相变。式中?(x,y)为净水传递系数；MHo为水的摩尔质量。2随着反应的进行，如果某个区域气态水的压力大于当地温度下水的饱和压力，则会有部分气态水凝结成液态水；相反，如果气态水的压力小于当地温度

7、下的水的饱和压力，液态水将蒸发成气态水，当然，液态水的蒸发还取决于每个控制容积内液态水的量。式中p为压力；下标：sat为饱和；R为通用气体常数；T为温度；kc为凝结速率。Pwv,sat由下式计算：（4）液态水的传质方程ll式中Cw为液态水的质量分数；Sw,p为液态水的质量变化源项，由(2-17)式计算；上标：1为液态。1.3.3动量守恒方程式中μ为流体的动力粘度；Su为动量方程的源项，在流道内为零，方程转化为普通的Navier-Stokes方程，在多孔介质中计算。在多孔介质的气体扩散层中，动量方程附加的动量源项由两