2026-04-13 22:10:49
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ranliaodianchidefazhanchuangxinjiangrubainianqianneiranjijishutupoqudairenlizaochenggongyegeming，yexiangdiannaodefamingpujiqudairenlideyunsuanhuitujiwenshuchulidediannaogeming，youruwangluotongxundefazhangaibianlerenmenshenghuoxiguandexinxigeming。ranliaodianchidegaoxiaolv、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
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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、碳(tan)氫(qing)化(hua)合(he)物(wu)中(zhong)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)高(gao)效(xiao)的(de)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)，非(fei)常(chang)適(shi)用(yong)於(yu)汽(qi)車(che)以(yi)及(ji)固(gu)定(ding)使(shi)用(yong)的(de)小(xiao)規(gui)模(mo)耗(hao)能(neng)產(chan)品(pin)。燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)又(you)因(yin)為(wei)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)，使(shi)得(de)他(ta)比(bi)普(pu)通(tong)電(dian)池(chi)更(geng)適(shi)於(yu)可(ke)攜(xie)帶(dai)設(she)備(bei)。
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%左(zuo)右(you)。燃(ran)料(liao)驅(qu)動(dong)的(de)車(che)輛(liang)，燃(ran)料(liao)中(zhong)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)首(shou)先(xian)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)，然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)電(dian)動(dong)機(ji)將(jiang)電(dian)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)機(ji)械(xie)能(neng)。這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)的(de)要(yao)受(shou)到(dao)卡(ka)諾(nuo)循(xun)環(huan)的(de)限(xian)製(zhi)，導(dao)致(zhi)內(nei)燃(ran)機(ji)引(yin)擎(qing)效(xiao)率(lv)隻(zhi)有(you)20%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%。zheyiweizheshiyongtongyangderanliao，ranliaodianchiqichexingshidejulijiangshiputongqichedeliangbei。eryanghuatandepaifangliangyegengdi，ranliaodianchidideyunzhuanwendujihukeyixiaochudan、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。
在zai普pu通tong電dian池chi中zhong，能neng量liang以yi化hua學xue能neng的de形xing式shi存cun儲chu在zai電dian池chi中zhong。而er在zai燃ran料liao電dian池chi中zhong，化hua學xue能neng存cun儲chu在zai燃ran料liao槽cao中zhong，隨sui時shi可ke以yi轉zhuan化hua為wei電dian能neng。直zhi接jie添tian加jia氫qing燃ran料liao可ke以yi省sheng去qu了le普pu通tong電dian池chi再zai次ci充chong電dian的de時shi間jian。燃ran料liao電dian池chi產chan生sheng電dian能neng的de過guo程cheng不bu足zu1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）。
conghuanbaodejiaodulaikan，youkezaishengnengyuanrutaiyangnengchanshengdeqingshiranliaodianchizhongdezuijiaranliao。raner，jinguanzaijinshuqinghuawuhenamiguangxiandengfangmianyikaishiledaguimodeyanjiu，qingdecunchuyiranhenkunnan。dangjin，rujiachunhetanqinghuahewudengchunleiwuzhishizuiyouxiaodeqingcunchufangshi。congranliaozhongfenlichuqingdeguochengbeichengzuozhonggoufanying。zaishoujizheyangdeweixingyingyongzhong，jiachunzuoweiranliaozairanliaodianchizhongfenlichuqing。duiyuqichezheyangdegaoshuchugonglvyingyonglaishuo，jiachunjiuxuyaotongguoranliaodianchidewaibushebeiruguanzhuangfanyingqilaifenlichuqing。zhegefenliqingdeguochengyibantongguozhengqifenlihebufenyanghuadengfangfalaiwancheng。
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3zhongkeyikanchu，guanzhuangfanyingzhuangzhizhongdewendufenbudefangzhenjieguo，guanzhuangfanyingqiliyongzhengqizhongzhengfanyingjiangqingcongjiachunzhongfenlichulai。jiaretaoduizhongzhengqijinxingjiare，yonglaitigonghexinhuaxuefanyingxiaohaodereliang。hexinqumiandaibiaodengwenmian。yinweizaizhongzhengqidehexinwenduchayibijiaoda，suoyishiyongbutongyansewenbiaolaibiaoshijiaretaohehexindewendufenbu。jiaretaochanshengdereliangtongguogaoredaolvdecailiaochuanshudaozhongzhengqihexinzhong。jiashereliangchuandishitongguochuandaoheduiliuguochengshixian，keyitongguoshezhirepinghenglaijisuanzhongzhengqizhongdewendufenbu。
一般(ban)都(dou)會(hui)在(zai)電(dian)池(chi)中(zhong)加(jia)入(ru)多(duo)餘(yu)的(de)惰(duo)性(xing)氣(qi)體(ti)或(huo)反(fan)應(ying)生(sheng)成(cheng)物(wu)來(lai)避(bi)免(mian)在(zai)燃(ran)料(liao)處(chu)理(li)中(zhong)衍(yan)生(sheng)物(wu)的(de)產(chan)生(sheng)，盡(jin)可(ke)能(neng)使(shi)電(dian)池(chi)在(zai)勻(yun)速(su)和(he)加(jia)速(su)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)有(you)效(xiao)運(yun)轉(zhuan)，例(li)如(ru)將(jiang)電(dian)池(chi)反(fan)應(ying)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)、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。
反應速率由高（紅色）到低（藍色）分布的仿真結果
圖4 是shi接jie觸chu爐lu中zhong反fan應ying分fen布bu的de仿fang真zhen結jie果guo。我wo們men假jia設she爐lu子zi的de多duo孔kong壁bi被bei加jia工gong的de很hen薄bo，這zhe就jiu會hui導dao致zhi不bu均jun勻yun流liu通tong過guo多duo孔kong催cui化hua劑ji和he不bu完wan全quan燃ran燒shao。紅hong色se區qu域yu由you於yu有you很hen強qiang的de對dui流liu具ju有you很hen高gao的de燃ran燒shao率lv。這zhe種zhong流liu的de分fen布bu最zui終zhong會hui導dao致zhi溫wen度du的de不bu均jun勻yun分fen布bu。仿fang真zhen結jie果guo表biao明ming安an全quan性xing和he其qi它ta問wen題ti都dou可ke以yi通tong過guo建jian模mo仿fang真zhen來lai研yan究jiu。
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 展(zhan)示(shi)了(le)催(cui)化(hua)區(qu)域(yu)內(nei)部(bu)和(he)周(zhou)圍(wei)氧(yang)的(de)濃(nong)度(du)分(fen)布(bu)。從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)在(zai)高(gao)壓(ya)下(xia)電(dian)極(ji)聚(ju)電(dian)解(jie)質(zhi)中(zhong)氧(yang)濃(nong)度(du)呈(cheng)現(xian)梯(ti)度(du)分(fen)布(bu)。圖(tu)中(zhong)結(jie)構(gou)是(shi)兩(liang)個(ge)催(cui)化(hua)劑(ji)聚(ju)合(he)物(wu)和(he)一(yi)層(ceng)電(dian)解(jie)質(zhi)薄(bo)膜(mo)蓋(gai)層(ceng)，聚(ju)合(he)物(wu)呈(cheng)瓶(ping)口(kou)狀(zhuang)，與(yu)聚(ju)電(dian)解(jie)質(zhi)接(jie)觸(chu)部(bu)分(fen)呈(cheng)半(ban)月(yue)形(xing)。這(zhe)種(zhong)結(jie)構(gou)提(ti)高(gao)了(le)對(dui)氧(yang)傳(chuan)輸(shu)的(de)阻(zu)抗(kang)能(neng)力(li)。雖(sui)然(ran)模(mo)型(xing)非(fei)常(chang)理(li)想(xiang)化(hua)，但(dan)是(shi)描(miao)述(shu)的(de)現(xian)象(xiang)卻(que)具(ju)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)現(xian)實(shi)意(yi)義(yi)。仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)為(wei)昂(ang)貴(gui)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)實(shi)際(ji)用(yong)量(liang)提(ti)供(gong)了(le)理(li)論(lun)依(yi)據(ju)。
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 dedianya。suoyijiangyixiliededianchichuanlianouhejiukeyichanshengkeyongdianya。zairanliaodianchizhenliezhong，shuangjibanzaixianglindeyinjiheyangjizhijianqidaolefenliqihedaodiantidezuoyong，tongshiyeliyongjiegouzhongdetongdaoxiangdianjitigongqiti。ciwai，dianjidebianyuankeyichongdangranliaodianchizhenliedejiguan。
高(gao)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)雙(shuang)極(ji)板(ban)的(de)設(she)計(ji)對(dui)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)陣(zhen)列(lie)的(de)性(xing)能(neng)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)。極(ji)板(ban)在(zai)提(ti)供(gong)電(dian)流(liu)通(tong)道(dao)的(de)同(tong)時(shi)還(hai)要(yao)能(neng)有(you)效(xiao)的(de)分(fen)流(liu)氣(qi)體(ti)來(lai)較(jiao)少(shao)傳(chuan)輸(shu)阻(zu)抗(kang)。圖(tu)6 zhanshilezaidianjiheshuangjibanzhijianjiechuquyudedianyafenbu。jiechuzukangyaojinkenengdejianshao，ruguoshuangjibanshijinshucailiao，jiuyaobimianzaidianjiheshuangjibanzhijianxingchengdidaodianlvdeyanghuaceng。tuzhongzaishuangjibanhedianjiquyudeyansewenbiaobutong，shiyinweizheliangzhongwuzhizhijiandediandaolvjuyouhendadechayi。tongguoCOMSOL 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。
ranliaodianchizaidianzihebianxieshebeizhongdeshangyehuayingyongyijingzhirikedai。rujin，ranliaodianchiqichegainianchemoxingyijingchuxian。danshi，xianzairanliaodianchicailiaodechengbenhaishihengao，nanyudaguimoshengchan。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 nianqi，xiangxinquanqiufanweineijianghuiyoujishiwanliangqingdongliqichezhujianshixianshangyehuashengchan。zaibujiudejianglai，womenzhouweidegongjiaochehesijiachejianghuibianchengranliaodianchiqudong。
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、專zhuan業ye的de市shi場chang推tui廣guang能neng力li以yi及ji強qiang有you力li的de技ji術shu支zhi持chi服fu務wu贏ying得de了le國guo內nei眾zhong多duo科ke研yan院yuan所suo以yi及ji企qi業ye的de一yi致zhi認ren可ke，目mu前qian國guo內nei幾ji乎hu所suo有you知zhi名ming大da學xue以yi及ji中zhong國guo科ke學xue院yuan下xia屬shu各ge研yan究jiu所suo都dou已yi選xuan擇ze使shi用yongCOMSOL 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。
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