一个沿通道的质子交换膜燃料电池模型外文翻译资料

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一个沿通道的质子交换膜燃料电池模型

摘要

开发了一种通道模型，用于评估各种设计和操作参数对质子交换膜（PEM）燃料电池性能的影响。 该模型基于以前的模型，已经被扩展到包括通过压力梯度，沿着流动通道的固相中的温度分布，以及通过自然对流和共流和逆流热的热交换器消除在膜上的对流水输送。该模型的结果表明，通过阳极加湿和阴极和阳极之间的正压差可以提高PEM燃料电池的性能，从而提高横跨膜的水回运速率。 结果还表明，有效的除热是必要的，以防止过度的温度，这可能导致局部膜脱水。 对于除热和分配，逆流热交换器是最有效的。

1引言

随着对车辆产生的污染和对电池电动车辆的关注范围的不断增长的环境问题，质子交换膜（PEM）燃料电池系统作为电动车辆的替代发电源越来越受到重视。 PEM燃料电池系统有吸引力的特点包括设计和运行的简单性，低温自启动，低成本建筑材料，二氧化碳耐受性以及与传统动力车辆相当的驾驶范围和加油时间。

最近对该系统的兴趣已经引起了关于增加铂负载的气体扩散电极的催化活性和利用的广泛研究。 将催化剂溅射后，随后热压到膜上并将催化剂基质与膜材料混合的电极表面上的努力已经导致燃料电池性能的显着改善和催化剂负载的降低。 催化剂负载量从高达5毫克Pt / cm降低到小于0.05毫克Pt /：cm。这些研究还有助于更好地了解膜中水、离子运输特性以及热、水管理在长期运行中的系统性能和稳定性中的重要作用^[1-2]。

在PEM燃料电池操作期间，水分子通过电渗从阳极侧传递到膜的阴极侧，并且如果水的输送速率高于水的反向扩散速率，则膜将变得脱水阻抗大电流。另一方面，在膜的阴极侧，水分子不仅从阳极侧输送，而且还通过阴极反应而产生，当脱水率不能跟随其输送速度时，发生电极淹没电极。因此，必须向阳极流中加入足够量的水以弥补由于从阳极到阴极的净运输而损失的水量，并且必须将水从膜的阴极侧移除到保持反应的活性催化剂表面。为了保持高的膜电导率和防止在阴极的溢流，需要适当的水管理。此外，还必须考虑通过高水蒸气压使气体稀释反应的效果^[3]。

接下来，即使PEM燃料电池是非常有效的系统，仍然有40-50％的能量产生作为热量消散^[4]。 这种热产生是由于阴极反应的不可逆性，欧姆电阻和质量传输超电势。 热分布通过影响水和气体物质的运输以及电极中的电化学反应对燃料电池性能有很大的影响。此外，它可能导致过高的电池温度，从而导致膜脱水或收缩和膜破裂。 因此，为实现高性能和高效率，需要适当的水和热管理^[5]。

可以通过包括操作条件，燃料电池硬件和膜电极组件设计等多种方法来实现有效的水和热管理。在Nguyen和White^[6]讨论的防止膜阳极侧脱水的不同加湿设计中，液态注水方案可用作水和热管理策略在其研究中，结果表明，将液态水注入阳极流动通道可以通过提供加湿以保持膜的阳极侧水合，而且同时进行散热来提高电池性能。此外，当在活性最高的区域使用空气时，由于较高的气体流速，阴极流也必须加湿，以防止入口附近的阴极层脱水。Vanderborgh^[4]等人讨论了包括再循环气体风扇，加湿器和热交换器的设计，为阳极和水提供加湿以及阴极的除热。 Watanabe^[7]等人也提出了芯吸材料作为从阴极去除水的方法。

为了寻求更好的燃料电池设计和操作策略，已经开发了不同复杂程度的许多型号的PEM燃料电池^[8-11]。然而，通过将燃料电池中的流动通道处理得很好地混合，这些模型不能考虑到反应物的耗尽，水的产生以及沿着燃料电池长度的温度分布的影响。对于PEM燃料电池的适当的水和热管理需要考虑燃料电池的这些变化。 Fuller和Newman^[12]以及Nguyen和White^[6]开发了二维热水传输模型，其解释了气相组成和沿着通道的温度和膜水合条件的变化。 Fuller和Newman的模型^[7]的结果表明，足够的除热是必不可少的防止膜脱水并保持高性能。Nguyen和White^[6]使用该模型来研究各种加湿系统的有效性保持PEM燃料电池的高膜水合和性能。然而，在它们的模型中，假设固相（流动通道板，电极和膜）的温度是均匀且恒定的。在实践中，沿着燃料电池的流动通道^[13]的固体层存在显着的温度梯度，并且该差异影响流动通道中的流体的温度分布和沿流动路径的膜的水合状态。这些影响是电堆和系统设计的重要组成部分，可对整个系统的功耗，成本，效率和控制产生重大影响。为了更好地解决这些问题，基于Nguyen和White的模型开发了一种新型号，用于描述沿着PEM燃料电池的阳极和阴极面的流动路径的固相和气相的质量和热条件。

2模型开发

开发了一种PEM燃料电池的二维，稳态，质量和能量模型。 由阳极流动通道，阴极流动通道和代表膜/电极组件和流量分配器的固相组成的模型区域如图1所示。 该模型考虑了流场两侧多个通道的存在，水和气态物质跨越电池（y方向）和沿着流动通道（x方向）的质量传输，以及气体和 细胞沿着流动路径（x方向）的固相。

假设 - 在流动通道中，假设有插塞流条件，并忽略沿通道的压降。对于气态物质，使用理想气体定律。假设液态水存在于通道的表面，并且其体积被认为是可忽略的。假定水中输入和输出电极仅以蒸气的形式存在。这个假设可能是模型中最弱的假设，特别是阴极。高电流密度下的产水率很可能超过其通过气体扩散从内层的去除速率，因此导致电极的冷凝和淹水。这种复杂性，在我们未来的工作中，当考虑到多孔介质中的两相流时，将被忽略。假设电极层是超薄的，从而可以忽略通过电极多孔层的气体输送阻力。通过这些假设，膜的表面的性质由下式确渠道的条件。接下来，由于电池（SH）的厚度与通道（I）的长度相比相对较小，所以这里假设在电池（y方向）上的固相中没有温度下降。由于积极的净水，膜的阳极侧比阴极侧更可能干燥以高电流密度从阳极传输到阴极，假定膜中水的电渗透系数和扩散系数为由阳极流动通道中水的活动决定。最后，由于集电器的高导电性，因此不会发生沿通道的电位降。此外，阳极和阴极气体流被认为是共流的或彼此平行的。

电池性能 - 燃料电池的性能由电流密度和电位关系表示。单个PEM燃料电池在环境条件下可能产生1.1 V。然而，实际上，其潜在的输出小于理想值，随着电流密度的增加而减小。电池输出电位与其开路电位之间的电位差归因于电极过电压（）和膜电阻和电流密度[]，反应物的消耗气体和阴极产生的水导致局部电流密度[I（x）]，膜电导率和沿着通道的电极过电位变化。采用Nguyen和White^[6]使用的电位和电流密度以及电极超电位和膜电导率表达式的相同关系。由于膜在阳极侧趋于干燥，膜的导电性和膜[]中的水浓度是使用阳极通道中的条件来估计的。

流动通道 - 单相物质i沿着通道长度的摩尔流速的变化是由于其在y方向上的法向通量进入或离开膜。沿着流动通道的水蒸气的摩尔流速的变化取决于液态水的变化和进入和离开膜的水蒸气的通量。 表示通道中存在的各种物质的摩尔流速与参考文献中的相同。 阳极和阴极气流的能量平衡方程是

[1]

其中下标k表示阳极或阴极，i表示存在于通道中的气态物质。 参数U为整体传热系数，参数a是流路的每单位长度的传热面积。方程右侧的项，1表示从通道中的流体传输到电池的固体层的能量。 表示各部件的热容量C，见参考文献6。

膜 - 如前所述，从阳极侧到阴极侧的膜的净水通量[]与在该位置处产生的局部电流密度成比例。 可以通过三种运输机制来描述水的输送：（i）由膜的阳极侧到阴极侧的质子传递引起的电渗压，（ii）水的浓度梯度的反向扩散 通过从阳极侧到阴极侧的电渗流和阴极反应产生，以及（iii）通道的阳极侧和阴极侧之间的压力梯度的对流。 因此，通过膜的水通量（y方向）可以写成如下

[2]

其中和分别是电渗阻系数，水的扩散系数，膜中水的渗透性和水的粘度。 接下来，可以重新排列，以产生每个质子流量比的净水分子的表达式，如下

[3]

由于膜非常薄（0.01厘米），阳极侧和阴极侧之间的单峰线性差异假设用于膜上水的浓度和压力梯度。 此外，膜中的水浓度可以通过取阳极和阴极侧的水的浓度的代数平均值来估计。 因此， 3可以更改为以下格式

[4]

其中和是阳极和阴极通道中的水的浓度，和分别是阳极和阴极通道中的水蒸气压。参数是膜的厚度。

水的电渗透系数和扩散系数取决于膜中的水含量，并且随着通道中的水蒸汽条件变化，它们沿通道改变。 使用参考文献6中水的扩散系数与电渗透系数对水的依赖关系。 然而，由于膜中的水的渗透性对水含量不敏感，并且通过低于膜的玻璃化转变温度的温度保持相当恒定，^[14]在本工作中假设所有含水量和温度都是恒定的。

在PEM燃料电池中，膜中的水含量取决于膜旁边的气相中的水的活度，并且膜的每一侧的气相中的水的活性是不同的，因为阳极趋向于脱水而阴极在操作过程中水分过多。通过这里使用的方法来描述水通过膜的通量，难以确定在膜的每一侧上不同环境条件下用于膜中的含水量的值。已经使用以下方法测试了三种不同的方案：（i）阳极通道中的水活度（这是参考文献6使用的方法），（ii）阴极通道中的水活度，或（iii）阳极活性的平均值和通道中的阴极活性。当使用阴极水活度和阳极 - 阴极平均活性时，电流和电势关系显示出比其他公开结果和我们自己的实验结果所显示的更高的性能。因此，阳极水分活度用于估计膜的含水量，以评估工作中所有计算的电渗系数和扩散系数。这种方法被认为是合理的，因为膜中的水的输送最有可能被阳极侧限制，除非阴极以某种方式脱水，这只能在非常高的干燥空气或氧气流速下进行，这是非常不可能的操作模式。

Zawodzinski等^[15]在膜被水蒸汽包围的条件下测量了30℃下水蒸气活性与膜含水量之间的关系。然而，在燃料电池操作期间，膜的表面处的水的现有相并不是真正知道的。水接触膜的机会很可能是在阴极。 Springer等^[1]发现，当膜浸入液态水中时，80℃下每个离子位点的含水量可高达16.8个水分子。这个观察结果与Zawodzinski等人^[15]的结果一起表明了以前建模工作中使用的立方相关性.注意，在这种相关性中，即使水分活度超过1，水分含量也会被估计。然而，由于水的活动电池中的蒸气为一个或更少，对于一个以上的活动的相关性对结果没有贡献，而且由于立方相关性非常复杂，因此使用它会导致计算中的不稳定性，并且在某些条件下给出不连续的结果为了防止不稳定性和不连续性问题，提出了以下简单的线性关系，用于本工作的所有研究。

[5]

一旦估计膜的含水量，膜中的阻水系数和水扩散系数可以通过参考文献6中提供的表达式计算。

固相（流动板和膜） - 当流动通道中存在液态水时，它倾向于在流动板的表面上。由于液体水滴和流动板之间的热传递总是比液态水滴和气相之间的传热更快，因此假设液体和固相存在于相同的温度。 因此，当水在通道中冷凝或蒸发时，假设在流动板的表面上发生相变，其能量转移到固相或从固相转移。 电池固相的能量平衡方程是

[6]

其中是膜的每一侧上的流动通道的数量，表示沿着流动方向的固体层的横截面面积，是固体流分配器对于能量交换开放的表面积周围。方程式左侧的第一项表示沿着气体流动路径（x方向）在细胞的固体层中通过传导的能量流。第二个术语是通过液态水沿着流动通道的能量流动。假设气流（y轴）的温度分布是均匀的。方程右侧的第一项是通道中的流体与电池的固相之间的对流热传递，第二项是用于固体电池层与热交换器液体温度之间的对流能量交换。如果施加对流体积条件，则代替恒定体温Tb。第三个和第四个术语分别表示从阳极或阴极流动通道中的水的相位变化中获取或释放的能量值对于蒸发或冷凝的热，作为温度的函数来自参考文献6。最后一个术语表示由反应的不可逆性和超电势引起的发热，由于在p方向上的温度分布被忽略，所产生的能量由在p方向上的欧姆电阻被忽略。

热交换器设计 - 为了检查燃料电池的不同散热和分配设计，考虑不同的散热条件。 一方面，假设从电池外表面进行自由对流的恒定体温（），另一方面，评估共流或逆流热交换器设计。 在这两种情况下，流场的外表面积（）和整体传热系数（）必须用方程式6定义。 当应用热交换器设计时，使用以下等式作为热交换器流体的能量平衡。

用于共流热交换器 [7]

用于逆流热交换器 [8]

其中表示位置x处的热交换器流体温度，是电池外表面和热交换器流体之间的总传热系数。 参数和M分别表示热交换器流体的热容量和摩尔速度。

边界条件 - 模型中使用的方程组在表I中给出。对于十二个未知数，有二十二个管理方程，以及I.对于气体种类（）和液态水（Ma和M2）的入口条件，x = 0，以及入口条件 阳极和阴极（T和Ta）。 当使用热交换器时，换热器流体（T5e1）的入口温度对于共流和逆流情况也是固

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