质子交换膜燃料电池工作过程数值模拟研究

质子交换膜燃料电池工作过程数值模拟研究

石磊辛志鹏

山东建筑大学山东济南250101

摘要：燃料电池技术最近成为最热门的技术之一，引起了各大汽车公司的投资兴趣。其兴趣点在高效率和低污染。聚合物质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最适合在汽车中使用的燃料电池类型，得益于它的低能耗与高能量密度。然而，关于质子交换膜燃料电池工作稳定性的研究多集中于物理过程以及宏观角度，如燃料电池低温启动的功率输出稳定性的研究，燃料电池堆温度控制问题，燃料电池与其他电源串联能量分配合理性问题等，但是这些研究的出发点都是燃料电池的对外输出的稳定性，仿真软件也是基于Matlab/simlink的电路仿真，很少有专家以燃料电池内部化学反应机理为出发点展开研究，即从微观角度的研究，基于此，本文重点分析国内外专家学者对燃料电池工作过程的仿真的进展，以期为燃料电池工作稳定性的深入研究提供可行性建议。

关键词：燃料电池；PEMFC；工作过程；仿真

1关于质子交换膜燃料电池的MD模拟

很多专家学者利用分子动力学（MD）软件，对Nafion膜的导热率以及质子导电率展开了微观层面的研究。

其中，Venkatnathan等人（2007）使用MD方法在两种不同的温度和四种水化水平下构建Nafion膜的模型。他们指出，水的扩散系数远远大于水合氢离子的扩散系数。同时，温度对水和水合氢离子的扩散系数起着重要作用[1]。

Tse等人（2013）通过标准的非反应性分子动力学比较3M膜和Nafion膜的结构特性和质子转运。他们计算了RDF，自扩散常数和其他不同水合温度下的性质，以分离和比较不同侧链的影响[2]。

Chen等人（2014）利用MaterialsStudio（MS）软件平台建立了PEM的MD计算模型，计算了PEM中水分子和水合氢离子的扩散。他们发现水分子和氢离子的扩散系数随着含水量的增加而增加，在相同的含水量下，水分子和氢离子的扩散系数随着温度的升高而增加。毫无疑问，MD方法真的可以理解PEM的微观机制[3]。

在前人的基础上，ZhengC等人（2017）为了比较Nafion与其他两种同系物——Dow和Aciplex膜的动态特性和热性能，应用MD模拟研究侧链长度和温度对扩散系数和热导率的影响。同时，计算均方位移（MSDs），径向分布函数（RDFs）和振动态密度（VDOS），揭示PEMs的微观机制[4]。

总结起来，国内外学者利用MD法主要为了模拟质子交换膜燃料电池的质子迁移率以及PCM（相变材料）的导热系数，前者决定质子传递的速率以及稳定性，后者决定了燃料电池系统的内部散热尤其是最容易产热的催化剂层，对后者的模拟打破了传统模拟过程中假定PCM的热导率都被假定成恒定的思维定式。

综合来看，对于质子交换膜燃料电池（PEMFC）MD模拟过程大致如下：

首先，是力学领域的建模，在MD模拟中采用了初始计算COMPASS力场。COMPASS力场可准确预测各种材料的结构性质，振动频率和热力学性质。COMPASS力场可准确预测各种材料的结构性质，振动频率和热力学性质。

其次，选择计算模型，建立水分子模型和氢离子模型。其中，水分子的数量取决于含水量k的值（水和氢离子的总数与磺酸基的数量之比）。

最后，进行结果讨论，分别对模拟出来的三大图像——均方位移、径向分布函数以及振动态密度进行分析。

2关于质子交换膜燃料电池的Fluent模拟

同样的，很多学者利用fluent来对质子交换膜燃料电池的膜的质子传导率和水扩散率进行微观模拟。

其中，SLi等（2005）综述了ASME中关于Fluent对PEMFC质子交换膜燃料电池的模拟以及验证过程，他们指出，关于PEMFC的模拟过程采用Fluent软件进行，模拟电池内部的工作过程，得到极化曲线，然后通过相同条件下测得的单电池极化曲线相比较，发现了模拟结果能够与实验结果具有较高的一致性，进而验证了模型的正确定[6]。

J.S.xiong等人（2006）利用流体力学软件Fluent中关于PEM模块的不同流道截面进行了选取，并针对PEMFC展开了数值模拟与优化。经过他们的研究，发现PEMFC的工作性能有流道的截面的形状的关系不大，而与流道的截面可变性有关，可变截面流道的PEMFC的性能要高于非截面流道PEMFC[7]。

K.Tao等人（2010）根据实验中使用的PEM的特点，对基质燃料电池的CFD模型进行了质子电导率和水扩散系数的数学模型修正，以研究PEM中水分含量，高温和室温下的氢气和氧气的浓度。他们将修正后后的模型翻译成带有用户定义函数（UDF）的FLUENT软件，导入到软件中。模拟计算了一定条件下50cm2单池的气体流场和电化学反应。发现室温条件下PEM的平均含水量比高温条件下高出约10％，而均匀度下降约5％，入口和出口差异下降约10％。不同温度对扩散层表面氢浓度影响较小，进出口差异在3％以内[8]。

ZhuRW（2010）使用FLUENT模拟分析了包括10个流道的燃料电池单体，同时讨论了电池的工作电流密度和阳极和阴极气体的加湿程度对质子交换膜膜表面温度分布的影响。研究表明：当工作条件较高时，膜的最高温度和温度分布很不均匀，阳极和阴极气体湿度对膜表面温度分布的影响程度相同，加湿度越小，温度的最高最低值之间的差越小。膜的温度位置随着加湿度的变化而变化。当加湿度高时，最高温度靠近入口，相反，最高温度靠近出口[9]。

陶侃等（2010）为了研究高温与常温条件下PEM水含量、氧气和氢气浓度分布的差异性，在基本的燃料电池CFD模型上，根据实验所使用的PEM特性对质子传导率和水扩散率数学模型进行了修正，通过自定义函数UDF方式编入FLUENT软件，对工作温度95℃及75℃、操作压力0.1MPa、进气相对湿度30%、电流密度800mA/cm2条件下的50cm2单电池进行了气流场及电化学模拟计算[10]。

关于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的Fluent模拟过程大致如下：

首先，对模型中的气态物质进行假设，根据燃料电池的反应原理，所涉及到的气态物质有氢气、氧气以及水蒸气等。在模拟时，首先要对三者进行理想化处理。

其次，建立电池的模型，利用GAMBIT完成模型的构建以及网格的划分，通过几何创建、网格生成、区域分配以及网格导出完成燃料电池模型的建立，其中还涉及到材料、操作条件以及边界条件的选取与设定。

然后，选取基本控制方程，通常所选取的控制方程包括量守恒方程、动量守恒方程、化学组分方程、电化学反应速率、电势控制方程以及温度控制方程等基本的燃料电池模型控制方程[11]，同时利用实验对模型进行验证，同时通过用户自定义函数（UDF）导入FLUENT来实现对模型的修正。

最后，利用FLUENT这一商业计算流体软件进行数值模拟计算，对于不同的计算区域，应用不同的边界条件、源项和材料参数，并通过修改UDF来实现修改后质子交换膜传导率及水扩散数学模型。

参考文献：

[1]VenkatnathanA，DevanathanR，DupuisM.AtomisticSimulationsofHydratedNafionandTemperatureEffectsonHydroniumIonMobility[J].JournalofPhysicalChemistryB，2007，111(25):7234-44.

[2]TseYLS，HerringAM，KimK，etal.MolecularDynamicsSimulationsofProtonTransportin3MandNafionPerfluorosulfonicAcidMembranes[J].JournalofPhysicalChemistryC，2013，117:8079-8091.

[3]LeiChen，Ya-LingHe，Wen-QuanTao.TheTemperatureEffectontheDiffusionProcessesofWaterandProtonintheProtonExchangeMembraneUsingMolecularDynamicsSimulation[J].NumericalHeatTransfer，2014，65(3):216-228.

[4]ZhengC，GengF，RaoZ.Protonmobilityandthermalconductivitiesoffuelcellpolymermembranes:Moleculardynamicssimulation[J].ComputationalMaterialsScience，2017，132:55-61.

[5]StrasserK.PEMfuelcellsforenergystoragesystems[C]//IECEC'91;Proceedingsofthe26thIntersocietyEnergyConversionEngineeringConference，Volume3.IECEC'91;Proceedingsofthe26thIntersocietyEnergyConversionEngineeringConference，Volume3，1991:630-635.

[6]LiS,CaoJ,WangardW,etal.ModelingPEMFCWithFLUENT:NumericalPerformanceandValidationsWithExperimentalData[C]//ASME2005,InternationalConferenceonFuelCellScience,EngineeringandTechnology.2005:103-110.

[7]XiongJS,XiaoJS,PanMU,etal.ModelingofPEMfuelcellwithdifferentkindofsectionchannels[J].2006,28:553-557.

[8]KTao,YangDJ,ZhengXL,etal.FLUENTbasednumericalanalysisofPEMFCatdifferentoperatingtemperatures[J].ChineseJournalofPowerSources,2010,34(4):395-398.

[9]ZhuRW,XiaoJS,XueK,etal.InfluenceofreactanthumidityontemperaturedistributioninPEMfuelcells[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,2010.

[10]陶侃，杨代军，郑晓亮，等.基于FLUENT不同温度条件下的PEMFC模拟分析[J].电源技术，2010，34(4):395-398.

[11]LarminieJ,DicksAL.FuelCellSystemsExplained[J].2003.

作者简介：

石磊（1991.02-），山东省济南市人，汉族，在读研究生，现就读于山东建筑大学机电工程学院，研究方向：汽车电子控制技术及太阳能电动汽车。

辛志鹏（1996.06-），山东省潍坊市人，汉族，本科毕业，现就职于济南交通技师学院。