燃料电池这么火,CFD怎么去凑个热闹?

燃料电池这么火,CFD怎么去凑个热闹?

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之前花了四篇专栏文章的篇幅,基本涵盖了整车CFD的所有工作内容。作为致力于专注汽车CFD的专栏,也得益于我工作中能够接触到整车及零部件各个层面的CFD应用,我会在今后的时间陆续推出CFD在其他方面包括发动机、变速箱、电池、电机等所有汽车相关领域的应用,欢迎同行关注、留言、讨论。

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最近两年除了新能源汽车,最热门的就是燃料电池了,关于燃料电池在汽车中的应用前景,以及是否能够成为汽车能源的终极解决方案,知乎上已经有很多相关问题的讨论了,本文不对这些内容做具体讨论,只会简单介绍燃料电池的基本原理和优缺点,重点是讲CFD在燃料电池开发中可以怎么凑个热闹。

燃料电池的优缺点:

从汽车的角度来说,燃料电池汽车相比传统车具有以下优势:

(1)零污染排放,且无CO2排放;(2)转化效率高;(3)运行平稳,振动噪声小。

与电动汽车相比具有以下优势:

(1)能量密度高,续航里程大;(2)加氢速度快;加氢站推广方便。

燃料电池应用推广主要存在的问题包括:

(1)氢气的制取问题;(2)氢气的存储运输问题;(3)成本较高的问题;(4)安全问题。

燃料电池的分类和基本原理:

燃料电池根据电解质的不同,可以分为六大类,分别为:质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其工作温度低、启动快、比功率高,结构简单、操作方便等优点,是公认的汽车应用首选种类。下面所说的燃料电池均特指质子交换膜燃料电池。

质子交换膜燃料电池原理如图:

质子交换膜原理图

阳极通入氢气,在催化层中被氧化,产生氢质子和电子,氢质子穿过膜到达阴极,电子通过外电路对外做功后到达阴极。阴极通入氧气,在催化层中和氢质子和电子发生还原反应,生成最终产物水。

为什么要对燃料电池进行CFD仿真?

燃料电池在设计过程中有着众多与流体相关的内容,包括针对燃料电池单体或堆栈的气体通道设计、冷却通道设计、燃料电池的水热管理等。通过前期的仿真,对设计进行改进,可以保证电池性能稳定可靠,减少试验数量降低成本,缩短研发周期。

如何对燃料电池进行CFD仿真?

目前可以对燃料电池进行CFD仿真的商用软件较多,包括包括AVL-Fire,STARCCM+,Fluent,Comsol Multiphysics等。仿真方法上大同小异。这里只是简单介绍一下基本原理和建模仿真方法流程。

燃料电池的电化学反应均是基于Butler-Volmer方程,通过交换电流密度以及活化能过电势计算反应电流密度。对于气体扩散层,催化层和质子交换膜均采用多孔介质模型来模拟。仿真过程中除了基本的CFD需要考虑的质量守恒、动量守恒、能量守恒以为,还需要考虑电化学、电磁场、多相流、多孔介质、组分输运、多材料温度场耦合等,流动考虑为层流模型。

以燃料电池单体建模与仿真为例,具体流程如下:

(1)网格划分

我们在建模过程中需要准备:双极板、冷却通道、气体通道、阳极气体扩散层、阳极催化层、阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜的网格。其中阴阳极的气体扩散层、催化层、质子交换膜均采用多孔介质模型来模拟,所以在该区域网格划分过程中需要特别保证网格与流场的正交性。由于燃料电池中气体通道往往非常复杂,需要对一些不重要的结构进行一些简化,同时保证在网格质量和数量在合理可接受范围内。

燃料电池的网格划分

(2)设置求解器

在燃料电池仿真方面,我们可以通过给定电压来算电流,或者给定电流来算电压。计算结果需要与实际的燃料电池极化曲线进行对比验证模型精度,同时对模型的一些重要参数进行标定。另外再根据软件设置基本的模型参数以及边界条件。

(3)结果后处理

完成计算后可以对仿真结果进行分析,包括二维结果输出比如平均电流密度、平均温度以及三维流场、温度场、组分浓度、电流密度分布的输出等。

燃料电池CFD仿真能算些啥?

燃料电池的CFD仿真主要用于水热管理的模拟,包括优化气体通道设计、冷却通道设计。对电化学反应进行计算,分析不同边界条件包括温度、湿度、压力、质量流量条件下的电池性能。对材料属性进行分析,研究不同材料属性对电池性能的影响。此外某些软件中还带有燃料电池老化预测模型,可以对燃料电池的性能衰减做出预测。

燃料电池CFD仿真优化的重点有:保证燃料电池气体通道压力、速度、组分浓度分布均匀,保证电化学反应进行充分,生成的水能够正常排出气体通道,防止出现“淹死”或“干死”的区域;保证电流密度分布均匀,防止极板中出现局部温度过热;保证冷却通道设计合理,可以对燃料电池进行合理的冷却,防止出现温度过高或过低的区域。

以下是网上找到的燃料电池CFD仿真一些实例:

下图为气体通道不同湿度、化学计量比(对应质量流量)、压力、温度下极化曲线对比,可以通过CFD仿真对燃料电池的极化特性曲线做出预测。

燃料电池仿真和试验的极化特性曲线

下图是蜿蜒型气体通道的三维交换电流密度、组分浓度、液态水分布、温度分布的计算结果,通过这些结果,可以校核设计是否合理,并提出优化建议。

展望

随着燃料电池技术的不断发展,燃料电池在汽车中的应用会不断成熟,CFD仿真将会在燃料电池开发中起到不可替代的作用。从目前来说,CFD燃料电池仿真用于指导工程设计已经可以实现,不过还存在仿真时间较长、仿真精度不高、网格生成复杂、计算不稳定等问题。相信随着模型的不断完善以及计算硬件资源的改善,CFD仿真在燃料电池开发中的应用会越来越广泛。

以上是本期内容,欢迎同行关注、留言、讨论,同时继续关注下期更新!

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参考文献

[1] 黄文雪. 基于CFD方法的车用质子交换膜燃料电池建模仿真研究. 2006

[2] auto-testing.net/news/s

[3] auto-testing.net/news/s

[4] Fatemeh Hashemi. CFD simulation of PEM fuel cell performance: Effect of straight and serpentine flow fields. 2012

发布于 2019-11-17

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