燃料電池的建模仿真

燃ran料liao電dian池chi的de發fa展zhan創chuang新xin將jiang如ru百bai年nian前qian內nei燃ran機ji技ji術shu突tu破po取qu代dai人ren力li造zao成cheng工gong業ye革ge命ming
，也ye像xiang電dian腦nao的de發fa明ming普pu及ji取qu代dai人ren力li的de運yun算suan繪hui圖tu及ji文wen書shu處chu理li的de電dian腦nao革ge命ming，又you如ru網wang絡luo通tong訊xun的de發fa展zhan改gai變bian了le人ren們men生sheng活huo習xi慣guan的de信xin息xi革ge命ming。燃ran料liao電dian池chi的de高gao效xiao率lv、無汙染
、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。

虛擬樣機是燃料電池的開發研製中不可或缺的重要工具 燃ran料liao電dian池chi的de發fa展zhan創chuang新xin將jiang如ru百bai年nian前qian內nei燃ran機ji技ji術shu突tu破po取qu代dai人ren力li造zao成cheng工gong業ye革ge命ming，也ye像xiang電dian腦nao的de發fa明ming普pu及ji取qu代dai人ren力li的de運yun算suan繪hui圖tu及ji文wen書shu處chu理li的de電dian腦nao革ge命ming，又you如ru網wang絡luo通tong訊xun的de發fa展zhan改gai變bian了le人ren們men生sheng活huo習xi慣guan的de信xin息xi革ge命ming。燃ran料liao電dian池chi的de高gao效xiao率lv、無汙染、建設周期短
、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。

圖1 可拆分燃料電池的模型，可以作為手機電池實現多次充電

如今，在北美
、日本和歐洲，燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規模應用的階段，將成為21 世紀繼火電
、水電
、核電後的第四代發電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發展必須引起我們的足夠重視，現在它已是能源、電力行業不得不正視的課題。 燃料電池具有很多電子產品的優越性能，其中最突出的是高效率和高能量密度。燃料電池可以將氫、天然氣
、tanqinghuahewuzhongdehuaxuenenggaoxiaodezhuanhuaweidianneng，feichangshiyongyuqicheyijigudingshiyongdexiaoguimohaonengchanpin。ranliaodianchiyouyinweijuyouhengaodenengliangmidu，shidetabiputongdianchigengshiyukexiedaishebei。 在大部分汽車發動機中，汽油將燃燒產生的熱能轉化為機械能,轉化效率受到卡諾循環的限製,普通的汽車的轉化效率隻有20%zuoyou。ranliaoqudongdecheliang，ranliaozhongdehuaxuenengshouxianzhuanhuaweidianneng，ranhoutongguodiandongjijiangdiannengzhuanhuaweijixieneng。zhegeguochengbukebimiandeyaoshoudaokanuoxunhuandexianzhi
，daozhineiranjiyinqingxiaolvzhiyou20%左右。而燃料電池理論上轉化效率可高達90%左右，要遠遠高於內燃機引擎的效率。在實際應用中，這個效率能達到50%。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)使(shi)用(yong)同(tong)樣(yang)的(de)燃(ran)料(liao)
，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)行(xing)駛(shi)的(de)距(ju)離(li)將(jiang)是(shi)普(pu)通(tong)汽(qi)車(che)的(de)兩(liang)倍(bei)。二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)的(de)排(pai)放(fang)量(liang)也(ye)更(geng)低(di)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)低(di)的(de)運(yun)轉(zhuan)溫(wen)度(du)幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)氮(dan)、硫氧化物的產生。 電子工業一直在追求燃料電池的微型化。Motorola gongsifaxianshiyongyigeranliaoyuanjianderanliaodianchishoujidedaijishijianshiputongdianchishoujidaijishijiandewubei。chulezuoweishoujidianchi
，ranliaodianchihaikeyiyingyongyubijibendiannao、MP3、MP4以及其他娛樂設備。圖1中是微型燃料電池手機充電器，電池是通過安醅中的可燃氣體驅動
，是由紐約Manhattan Scientific 公司設計。 燃料電池在不具備電力基礎設施的區域具有巨大的應用前景，從為美國阿波羅登月計劃中為飛船提供電力，到為船舶
、便攜建築工具、臨時交通控製、維持生命的流動設備、以及軍事設備等提供電力能源。 zaiputongdianchizhong
，nengliangyihuaxuenengdexingshicunchuzaidianchizhong。erzairanliaodianchizhong，huaxuenengcunchuzairanliaocaozhong，suishikeyizhuanhuaweidianneng。zhijietianjiaqingranliaokeyishengquleputongdianchizaicichongdiandeshijian。ranliaodianchichanshengdiannengdeguochengbuzu1分fen鍾zhong。因yin為wei不bu存cun在zai普pu通tong電dian池chi的de自zi放fang電dian現xian象xiang


，燃ran料liao電dian池chi可ke以yi保bao持chi不bu間jian斷duan電dian力li供gong應ying

，這zhe大da大da降jiang低di了le燃ran料liao電dian池chi的de保bao養yang費fei用yong和he提ti高gao了le係xi統tong的de穩wen定ding性xing。另ling外wai，燃ran料liao電dian池chi具ju有you更geng高gao的de能neng量liang密mi度du，單dan位wei重zhong量liang可ke以yi具ju有you更geng高gao的de電dian容rong量liang。 在zai過guo去qu的de五wu年nian中zhong，燃ran料liao電dian池chi設she備bei和he燃ran料liao汽qi車che發fa展zhan迅xun速su。因yin而er，虛xu擬ni模mo型xing開kai發fa工gong具ju變bian得de重zhong要yao起qi來lai。公gong司si之zhi間jian的de競jing爭zheng日ri趨qu激ji烈lie
，為wei爭zheng奪duo這zhe個ge巨ju大da潛qian在zai市shi場chang的de戰zhan鬥dou已yi經jing打da響xiang。這zhe個ge階jie段duan技ji術shu開kai發fa成cheng為wei了le最zui重zhong要yao的de武wu器qi，掌zhang握wo著zhe燃ran料liao電dian池chi製zhi備bei技ji術shu的de小xiao公gong司si逐zhu漸jian成cheng為wei大da型xing電dian子zi和he汽qi車che公gong司si的de合he作zuo夥huo伴ban。 在(zai)這(zhe)個(ge)高(gao)速(su)發(fa)展(zhan)和(he)競(jing)爭(zheng)激(ji)烈(lie)的(de)市(shi)場(chang)中(zhong)，從(cong)概(gai)念(nian)提(ti)出(chu)到(dao)原(yuan)型(xing)製(zhi)造(zao)的(de)周(zhou)期(qi)已(yi)經(jing)不(bu)允(yun)許(xu)持(chi)續(xu)太(tai)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)。因(yin)此(ci)虛(xu)擬(ni)模(mo)型(xing)的(de)開(kai)發(fa)工(gong)具(ju)已(yi)經(jing)變(bian)的(de)異(yi)常(chang)重(zhong)要(yao)。在(zai)考(kao)慮(lv)輔(fu)助(zhu)設(she)備(bei)以(yi)及(ji)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)運(yun)轉(zhuan)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)，對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)性(xing)能(neng)優(you)化(hua)麵(mian)臨(lin)這(zhe)許(xu)多(duo)的(de)數(shu)學(xue)難(nan)題(ti)。因(yin)此(ci)數(shu)學(xue)建(jian)模(mo)成(cheng)為(wei)了(le)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)研(yan)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)重(zhong)要(yao)的(de)工(gong)具(ju)。將(jiang)建(jian)模(mo)仿(fang)真(zhen)和(he)實(shi)驗(yan)相(xiang)結(jie)合(he)，降(jiang)低(di)能(neng)本(ben)同(tong)時(shi)也(ye)加(jia)速(su)了(le)模(mo)型(xing)係(xi)統(tong)的(de)搭(da)建(jian)和(he)研(yan)製(zhi)。 建模仿真為人們研究燃料電池的電化學過程以及電池係統中電極和電解液的作用過程提供了巨大的幫助。所有過程的描述都在微米量級：單dan催cui化hua聚ju合he物wu，陰yin陽yang電dian極ji及ji電dian解jie液ye組zu成cheng的de電dian池chi元yuan胞bao，汽qi車che燃ran料liao電dian池chi中zhong燃ran料liao加jia工gong的de反fan應ying模mo型xing
，還hai包bao括kuo燃ran料liao電dian池chi電dian極ji板ban材cai料liao的de設she計ji，以yi及ji它ta們men在zai燃ran料liao電dian池chi中zhong對dui歐ou姆mu損sun耗hao的de影ying響xiang和he係xi統tong優you化hua。

圖 2 在質子交換膜燃料電池的陰極，氫質子穿過交換膜和氧結合形成水，

電子從外電路流向陰極形成電流

燃料電池係統 燃料電池工作機製是分離燃料的氧化原理
，例如氫的氧化和氧的還原。在陰陽兩極分別發生氧化和還原過程；陽極釋放電子通過外部電路流向陰極形成電流。下麵的反應發生在兩類燃料電池中，分別是質子交換膜和磷酸燃料電池。固態氧化物、熔融碳酸鹽燃料以及堿性燃料電池都有類似的反應。 陽極反應： 陰極反應： 外部電路通過導線連接，質子在電解液中傳輸組成了電池的內部電路（圖2）。 從cong環huan保bao的de角jiao度du來lai看kan，由you可ke再zai生sheng能neng源yuan如ru太tai陽yang能neng產chan生sheng的de氫qing是shi燃ran料liao電dian池chi中zhong的de最zui佳jia燃ran料liao。然ran而er

，盡jin管guan在zai金jin屬shu氫qing化hua物wu和he納na米mi光guang纖xian等deng方fang麵mian已yi開kai始shi了le大da規gui模mo的de研yan究jiu，氫qing的de存cun儲chu依yi然ran很hen困kun難nan。當dang今jin，如ru甲jia醇chun和he碳tan氫qing化hua合he物wu等deng醇chun類lei物wu質zhi是shi最zui有you效xiao的de氫qing存cun儲chu方fang式shi。從cong燃ran料liao中zhong分fen離li出chu氫qing的de過guo程cheng被bei稱cheng作zuo重zhong構gou反fan應ying。在zai手shou機ji這zhe樣yang的de微wei型xing應ying用yong中zhong
，甲jia醇chun作zuo為wei燃ran料liao在zai燃ran料liao電dian池chi中zhong分fen離li出chu氫qing。對dui於yu汽qi車che這zhe樣yang的de高gao輸shu出chu功gong率lv應ying用yong來lai說shuo
，甲jia醇chun就jiu需xu要yao通tong過guo燃ran料liao電dian池chi的de外wai部bu設she備bei如ru管guan狀zhuang反fan應ying器qi來lai分fen離li出chu氫qing。這zhe個ge分fen離li氫qing的de過guo程cheng一yi般ban通tong過guo蒸zheng汽qi分fen離li和he部bu分fen氧yang化hua等deng方fang法fa來lai完wan成cheng。

圖3 在加熱套和管狀蒸汽重整反應裝置中的溫度分布仿真結果，

不同的顏色代表不同的溫度

重整器的管狀反應器設計對於燃料係統的性能和效率至關重要。重整器要能承受高壓以及具有很高的瞬間輸出功率
；重量和體積要盡量小，加熱管理係統要能提供勻速低輸出以及瞬時高輸出等不同的運轉條件。 從圖3中zhong可ke以yi看kan出chu，管guan狀zhuang反fan應ying裝zhuang置zhi中zhong的de溫wen度du分fen布bu的de仿fang真zhen結jie果guo，管guan狀zhuang反fan應ying器qi利li用yong蒸zheng汽qi重zhong整zheng反fan應ying將jiang氫qing從cong甲jia醇chun中zhong分fen離li出chu來lai。加jia熱re套tao對dui重zhong整zheng器qi進jin行xing加jia熱re，用yong來lai提ti供gong核he心xin化hua學xue反fan應ying消xiao耗hao的de熱re量liang。核he心xin曲qu麵mian代dai表biao等deng溫wen麵mian。因yin為wei在zai重zhong整zheng器qi的de核he心xin溫wen度du差cha異yi比bi較jiao大da，所suo以yi使shi用yong不bu同tong顏yan色se溫wen標biao來lai表biao示shi加jia熱re套tao和he核he心xin的de溫wen度du分fen布bu。加jia熱re套tao產chan生sheng的de熱re量liang通tong過guo高gao熱re導dao率lv的de材cai料liao傳chuan輸shu到dao重zhong整zheng器qi核he心xin中zhong。假jia設she熱re量liang傳chuan遞di是shi通tong過guo傳chuan導dao和he對dui流liu過guo程cheng實shi現xian，可ke以yi通tong過guo設she置zhi熱re平ping衡heng來lai計ji算suan重zhong整zheng器qi中zhong的de溫wen度du分fen布bu。

一bandouhuizaidianchizhongjiaruduoyudeduoxingqitihuofanyingshengchengwulaibimianzairanliaochulizhongyanshengwudechansheng
，jinkenengshidianchizaiyunsuhejiasuqingkuangxiadeyouxiaoyunzhuan，lirujiangdianchifanyingzhongchanshengdeeryanghuatan、碳化物和水加入到接觸爐中。燃燒廢氣產生的熱量隨即被所利用作為重整器加熱套的熱源。在低溫下接觸爐的使用降低了氮的氧化物(NOX)的產生。

圖4 當反應爐中氫和氧在多孔催化劑表麵結合不均勻時，

反應速率由高（紅色）到低（藍色）分布的仿真結果

圖4 shijiechuluzhongfanyingfenbudefangzhenjieguo。womenjiasheluzideduokongbibeijiagongdehenbo，zhejiuhuidaozhibujunyunliutongguoduokongcuihuajihebuwanquanranshao。hongsequyuyouyuyouhenqiangdeduiliujuyouhengaoderanshaolv。zhezhongliudefenbuzuizhonghuidaozhiwendudebujunyunfenbu。fangzhenjieguobiaominganquanxingheqitawentidoukeyitongguojianmofangzhenlaiyanjiu。 電極

圖5 仿真結果表明在沒有與催化區域接觸之前，氧濃度在燃料電池陰極附近達到最大值

在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)中(zhong)，氫(qing)在(zai)陽(yang)極(ji)被(bei)氧(yang)化(hua)。這(zhe)個(ge)氧(yang)化(hua)過(guo)程(cheng)發(fa)生(sheng)在(zai)催(cui)化(hua)活(huo)性(xing)區(qu)域(yu)並(bing)轉(zhuan)移(yi)電(dian)子(zi)和(he)離(li)子(zi)電(dian)流(liu)的(de)電(dian)荷(he)。這(zhe)個(ge)反(fan)應(ying)需(xu)要(yao)氫(qing)氣(qi)穿(chuan)過(guo)陽(yang)極(ji)多(duo)孔(kong)介(jie)質(zhi)到(dao)達(da)催(cui)化(hua)表(biao)麵(mian)的(de)活(huo)性(xing)區(qu)域(yu)。在(zai)陰(yin)極(ji)，質(zhi)子(zi)在(zai)固(gu)體(ti)催(cui)化(hua)劑(ji)作(zuo)用(yong)下(xia)和(he)氧(yang)離(li)子(zi)結(jie)合(he)生(sheng)成(cheng)水(shui)。參(can)加(jia)反(fan)應(ying)的(de)氧(yang)通(tong)過(guo)陰(yin)極(ji)接(jie)觸(chu)層(ceng)上(shang)的(de)聚(ju)電(dian)解(jie)質(zhi)中(zhong)的(de)孔(kong)到(dao)達(da)反(fan)應(ying)區(qu)域(yu)。建(jian)模(mo)模(mo)擬(ni)可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)電(dian)極(ji)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)問(wen)題(ti)。在(zai)陰(yin)極(ji)，氧(yang)擴(kuo)散(san)到(dao)反(fan)應(ying)區(qu)域(yu)的(de)同(tong)時(shi)質(zhi)子(zi)也(ye)要(yao)通(tong)過(guo)聚(ju)合(he)電(dian)解(jie)質(zhi)傳(chuan)輸(shu)到(dao)反(fan)應(ying)區(qu)域(yu)。為(wei)了(le)減(jian)少(shao)傳(chuan)輸(shu)阻(zu)力(li)，要(yao)盡(jin)量(liang)縮(suo)短(duan)氧(yang)通(tong)過(guo)聚(ju)合(he)物(wu)的(de)路(lu)徑(jing)
，同(tong)時(shi)要(yao)求(qiu)足(zu)夠(gou)的(de)聚(ju)合(he)物(wu)材(cai)料(liao)來(lai)減(jian)少(shao)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)子(zi)的(de)離(li)子(zi)流(liu)的(de)阻(zu)力(li)。 圖5 zhanshilecuihuaquyuneibuhezhouweiyangdenongdufenbu。congtuzhongkeyikanchuzaigaoyaxiadianjijudianjiezhizhongyangnongduchengxiantidufenbu。tuzhongjiegoushilianggecuihuajijuhewuheyicengdianjiezhibomogaiceng，juhewuchengpingkouzhuang，yujudianjiezhijiechubufenchengbanyuexing。zhezhongjiegoutigaoleduiyangchuanshudezukangnengli。suiranmoxingfeichanglixianghua，danshimiaoshudexianxiangquejuyouhenqiangdexianshiyiyi。fangzhenjieguoweiangguidecuihuajideshijiyongliangtigonglelilunyiju。

圖6 雙極板（綠到黃）和陰極（藍到紅）之間接觸區域的電壓分布

一個燃料電池單元大約能產生2KA/m2 以及0.8V 的(de)電(dian)壓(ya)。所(suo)以(yi)將(jiang)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)電(dian)池(chi)串(chuan)聯(lian)耦(ou)合(he)就(jiu)可(ke)以(yi)產(chan)生(sheng)可(ke)用(yong)電(dian)壓(ya)。在(zai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)陣(zhen)列(lie)中(zhong)，雙(shuang)極(ji)板(ban)在(zai)相(xiang)鄰(lin)的(de)陰(yin)極(ji)和(he)陽(yang)極(ji)之(zhi)間(jian)起(qi)到(dao)了(le)分(fen)離(li)器(qi)和(he)導(dao)電(dian)體(ti)的(de)作(zuo)用(yong)
，同(tong)時(shi)也(ye)利(li)用(yong)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)通(tong)道(dao)向(xiang)電(dian)極(ji)提(ti)供(gong)氣(qi)體(ti)。此(ci)外(wai)，電(dian)極(ji)的(de)邊(bian)緣(yuan)可(ke)以(yi)充(chong)當(dang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)陣(zhen)列(lie)的(de)集(ji)管(guan)。 gaoshuchugonglvshuangjibandeshejiduiyuranliaodianchizhenliedexingnengjuyoufeichangzhongyaodeyingxiang。jibanzaitigongdianliutongdaodetongshihaiyaonengyouxiaodefenliuqitilaijiaoshaochuanshuzukang。tu6 展(zhan)示(shi)了(le)在(zai)電(dian)極(ji)和(he)雙(shuang)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)接(jie)觸(chu)區(qu)域(yu)的(de)電(dian)壓(ya)分(fen)布(bu)。接(jie)觸(chu)阻(zu)抗(kang)要(yao)盡(jin)可(ke)能(neng)的(de)減(jian)少(shao)，如(ru)果(guo)雙(shuang)極(ji)板(ban)是(shi)金(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)，就(jiu)要(yao)避(bi)免(mian)在(zai)電(dian)極(ji)和(he)雙(shuang)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)形(xing)成(cheng)低(di)導(dao)電(dian)率(lv)的(de)氧(yang)化(hua)層(ceng)。圖(tu)中(zhong)在(zai)雙(shuang)極(ji)板(ban)和(he)電(dian)極(ji)區(qu)域(yu)的(de)顏(yan)色(se)溫(wen)標(biao)不(bu)同(tong)，是(shi)因(yin)為(wei)這(zhe)兩(liang)種(zhong)物(wu)質(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)導(dao)率(lv)具(ju)有(you)很(hen)大(da)的(de)差(cha)異(yi)。通(tong)過(guo)COMSOL Multiphysics 還可以利用模型來研究雙極板對於燃料電池性能的影響規律。 燃ran料liao電dian池chi在zai電dian子zi和he便bian攜xie設she備bei中zhong的de商shang業ye化hua應ying用yong已yi經jing指zhi日ri可ke待dai。如ru今jin

，燃ran料liao電dian池chi汽qi車che概gai念nian車che模mo型xing已yi經jing出chu現xian。但dan是shi，現xian在zai燃ran料liao電dian池chi材cai料liao的de成cheng本ben還hai是shi很hen高gao
，難nan於yu大da規gui模mo生sheng產chan。在zai10 月23 日開幕的2009 年東京車展上

，這種氫燃料電池車依然唱起了主角。今年9 月，豐田、本田
、現代、福特、通用、戴姆勒、起亞等知名汽車公司共同發表聲明，呼籲各國政府在2015 年前建立更多的氫燃料基礎設施。如果這一目標能夠實現
，從2015 年nian起qi，相xiang信xin全quan球qiu範fan圍wei內nei將jiang會hui有you幾ji十shi萬wan輛liang氫qing動dong力li汽qi車che逐zhu漸jian實shi現xian商shang業ye化hua生sheng產chan。在zai不bu久jiu的de將jiang來lai，我wo們men周zhou圍wei的de公gong交jiao車che和he私si家jia車che將jiang會hui變bian成cheng燃ran料liao電dian池chi驅qu動dong。 COMSOL 在中國,中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)憑借個性化的解決方案、成熟的CAE 產品線、zhuanyedeshichangtuiguangnengliyijiqiangyoulidejishuzhichifuwuyingdeleguoneizhongduokeyanyuansuoyijiqiyedeyizhirenke，muqianguoneijihusuoyouzhimingdaxueyijizhongguokexueyuanxiashugeyanjiusuodouyixuanzeshiyongCOMSOL Multiphysics 作為其科研分析的CAE 主要工具。隨著中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全國各地的分公司
、CAE 技術聯合中心、CAE 培訓中心的成立
，為廣大客戶提供更專業、更周到的本地化技術服務，眾多企業也紛紛選用COMSOL Multiphysics 作為企業的分析工具，應用全球最先進製造技術，最終增強企業的核心競爭力
，保證了企業持續發展。