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燃料电池的建模仿真

作者:Simwe    来源:中仿科技    发布时间:2012-06-20    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

虚拟样机是燃料电池的开发研制中不可或缺的重要工具

燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命,也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命,又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。

 

图1  可拆分燃料电池的模型,可以作为手机电池实现多次充电。

如今,在北美、日本和欧洲,燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段,将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视,现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。

燃料电池具有很多电子产品的优越性能,其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料电池可以将氢、天然气、碳氢化合物中的化学能高效的转化为电能,非常适用于 汽车以及固定使用的小规模耗能产品。燃料电池又因为具有很高的能量密度,使得他比普通电池更适于可携带设备。

在大部分汽车发动机中,汽油将燃烧产生的热能转化为机械能,转化效率受到卡诺循环的限制,普通的汽车的转化效率只有20%左右。燃料驱动的车辆,燃料中的 化学能首先转化为电能,然后通过电动机将电能转化为机械能。这个过程不可避免的要受到卡诺循环的限制,导致内燃机引擎效率只有20%左右。而燃料电池理论 上转化效率可高达90%左右,要远远高于内燃机引擎的效率。在实际应用中,这个效率能达到50%。这意味着使用同样的燃料,燃料电池汽车行驶的距离将是普 通汽车的两倍。二氧化碳的排放量也更低,燃料电池低的运转温度几乎可以消除氮、硫氧化物的产生。

电子工业一直在追求燃料电池的微型化。Motorola公司发现使用一个燃料元件的燃料电池手机的待机时间是普通电池手机待机时间的五倍。除了作为手机 电池,燃料电池还可以应用于笔记本电脑、MP3、MP4以及其他娱乐设备。图1中是微型燃料电池手机充电器,电池是通过安醅中的可燃气体驱动,是由纽约 Manhattan Scientific公司设计。

燃料电池在不具备电力基础设施的区域具有巨大的应用前景,从为美国阿波罗登月计划中为飞船提供电力,到为船舶、便携建筑工具、临时交通控制、维持生命的流动设备、以及军事设备等提供电力能源。   

在普通电池中,能量以化学能的形式存储在电池中。而在燃料电池中,化学能存储在燃料槽中,随时可以转化为电能。直接添加氢燃料可以省去了普通电池再次充电 的时间。燃料电池产生电能的过程不足1分钟。因为不存在普通电池的自放电现象,燃料电池可以保持不间断电力供应,这大大降低了燃料电池的保养费用和提高了 系统的稳定性。另外,燃料电池具有更高的能量密度,单位重量可以具有更高的电容量。

在过去的五年中,燃料电池设备和燃料汽车发展迅速。因而,虚拟模型开发工具变得重要起来。公司之间的竞争日趋激烈,为争夺这个巨大潜在市场的战斗已经打 响。这个阶段技术开发成为了最重要的武器,掌握着燃料电池制备技术的小公司逐渐成为大型电子和汽车公司的合作伙伴。

在这个高速发展和竞争激烈的市场中,从概念提出到原型制造的周期已经不允许持续太长的时间。因此虚拟模型的开发工具已经变的异常重要。在考虑辅助设备以及 电动机的运转的前提下,对燃料电池的性能优化面临这许多的数学难题。因此数学建模成为了燃料电池研发过程中重要的工具。将建模仿真和实验相结合,降低能本 同时也加速了模型系统的搭建和研制。

建模仿真为人们研究燃料电池的电化学过程以及电池系统中电极和电解液的作用过程提供了巨大的帮助。所有过程的描述都在微米量级:单催化聚合物,阴阳电极及 电解液组成的电池元胞,汽车燃料电池中燃料加工的反应模型,还包括燃料电池电极板材料的设计,以及它们在燃料电池中对欧姆损耗的影响和系统优化。

图2 在质子交换膜燃料电池的阴极,氢质子穿过交换膜和氧结合形成水,电子从外电路流向阴极形成电流。

燃料电池系统

燃料电池工作机制是分离燃料的氧化原理,例如氢的氧化和氧的还原。在阴阳两极分别发生氧化和还原过程;阳极释放电子通过外部电路流向阴极形成电流。下面的 反应发生在两类燃料电池中,分别是质子交换膜和磷酸燃料电池。固态氧化物、熔融碳酸盐燃料以及碱性燃料电池都有类似的反应。

阳极反应:H2 = 2H+ + 2e-

阴极反应:2H+ + 1/2O2 + 2e- = H2O

外部电路通过导线连接,质子在电解液中传输组成了电池的内部电路(图2)。

从环保的角度来看,由可再生能源如太阳能产生的氢是燃料电池中的最佳燃料。然而,尽管在金属氢化物和纳米光纤等方面已开始了大规模的研究,氢的存储依然 很困难。当今,如甲醇和碳氢化合物等醇类物质是最有效的氢存储方式。从燃料中分离出氢的过程被称作重构反应。在手机这样的微型应用中,甲醇作为燃料在燃料 电池中分离出氢。对于汽车这样的高输出功率应用来说,甲醇就需要通过燃料电池的外部设备如管状反应器来分离出氢。这个分离氢的过程一般通过蒸汽分离和部分 氧化等方法来完成。

   

图3 在加热套和管状蒸汽重整反应装置中的温度分布仿真结果,不同的颜色代表不同的温度。

重整器的管状反应器设计对于燃料系统的性能和效率至关重要。重整器要能承受高压以及具有很高的瞬间输出功率;重量和体积要尽量小,加热管理系统要能提供匀速低输出以及瞬时高输出等不同的运转条件。

从图3中可以看出,管状反应装置中的温度分布的仿真结果,管状反应器利用蒸汽重整反应将氢从甲醇中分离出来。加热套对重整器进行加热,用来提供核心化学 反应消耗的热量。核心曲面代表等温面。因为在重整器的核心温度差异比较大,所以使用不同颜色温标来表示加热套和核心的温度分布。加热套产生的热量通过高热 导率的材料传输到重整器核心中。假设热量传递是通过传导和对流过程实现,可以通过设置热平衡来计算重整器中的温度分布。

一般都会在电池中加入多余的惰性气体或反应生成物来避免在燃料处理中衍生物的产生,尽可能使电池在匀速和加速情况下的有效运转,例如将电池反应中产生的二 氧化碳、碳化物和水加入到接触炉中。燃烧废气产生的热量随即被所利用作为重整器加热套的热源。在低温下接触炉的使用降低了氮的氧化物(NOX)的产生。

 图4 当反应炉中氢和氧在多孔催化剂表面结合不均匀时,反应速率由高(红色)到低(蓝色)分布的仿真结果。

图4是接触炉中反应分布的仿真结果。我们假设炉子的多孔壁被加工的很薄,这就会导致不均匀流通过多孔催化剂和不完全燃烧。红色区域由于有很强的对流具有很 高的燃烧率。这种流的分布最终会导致温度的不均匀分布。仿真结果表明安全性和其它问题都可以通过建模仿真来研究。

电极

图5 仿真结果表明在没有与催化区域接触之前,氧浓度在燃料电池阴极附近达到最大值。

在燃料电池中,氢在阳极被氧化。这个氧化过程发生在催化活性区域并转移电子和离子电流的电荷。这个反应需要氢气穿过阳极多孔介质到达催化表面的活性区域。 在阴极,质子在固体催化剂作用下和氧离子结合生成水。参加反应的氧通过阴极接触层上的聚电解质中的孔到达反应区域。建模模拟可以发现电极设计中的问题。在 阴极,氧扩散到反应区域的同时质子也要通过聚合电解质传输到反应区域。为了减少传输阻力,要尽量缩短氧通过聚合物的路径,同时要求足够的聚合物材料来减少 传输质子的离子流的阻力。

图5展示了催化区域内部和周围氧的浓度分布。从图中可以看出在高压下电极聚电解质中氧浓度呈现梯度分布。图中结构是两个催化剂聚合物和一层电解质薄膜盖 层,聚合物呈瓶口状,与聚电解质接触部分呈半月形。这种结构提高了对氧传输的阻抗能力。虽然模型非常理想化,但是描述的现象却具有很强的现实意义。仿真结 果为昂贵的催化剂的实际用量提供了理论依据。

图6 双极板(绿到黄)和阴极(蓝到红)之间接触区域的电压分布。

一个燃料电池单元大约能产生2KA/m2以及0.8V的电压。所以将一系列的电池串联耦合就可以产生可用电压。在燃料电池阵列中,双极板在相邻的阴极和阳极之间起到了分离器和导电体的作用,同时也利用结构中的通道向电极提供气体。此外,电极的边缘可以充当燃料电池阵列的集管。

高输出功率双极板的设计对于燃料电池阵列的性能具有非常重要的影响。极板在提供电流通道的同时还要能有效的分流气体来较少传输阻抗。图6展示了在电极和双 极板之间接触区域的电压分布。接触阻抗要尽可能的减少,如果双极板是金属材料,就要避免在电极和双极板之间形成低导电率的氧化层。图中在双极板和电极区域 的颜色温标不同,是因为这两种物质之间的电导率具有很大的差异。通过COMSOL Multiphysics还可以利用模型来研究双极板对于燃料电池性能的影响规律。

燃料电池在电子和便携设备中的商业化应用已经指日可待。如今,燃料电池汽车概念车模型已经出现。但是,现在燃料电池材料的成本还是很高,难于大规模生产。 在10月23日开幕的2009年东京车展上,这种氢燃料电池车依然唱起了主角。今年9月,丰田、本田、现代、福特、通用、戴姆勒、起亚等知名汽车公司共同 发表声明,呼吁各国政府在2015年前建立更多的氢燃料基础设施。如果这一目标能够实现,从2015年起,相信全球范围内将会有几十万辆氢动力汽车逐渐实 现商业化生产。在不久的将来,我们周围的公交车和私家车将会变成燃料电池驱动。

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参考文献

Appleby, A. J.; Foulkes, F. R. Fuel Cell Handbook; Krieger Publishing: Malabar, FL, 1989; 790 pp.
Kordesch, K. Fuel Cells and Their Applications; VCH Verlagsgesellschaft: Weinheim, Germany, 1995; 375 pp.
Larminie, J.; Dicks, A. Fuel Cell Systems Explained; John Wiley & Sons: West Sussex, United Kingdom, 2000; 308 pp.
Los Alamos National Laboratory provides an online fuel-cell tutorial at http: //education.lanl.gov/resources/fuelcells/fuelcells.pdf

 
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