燃料電池的建模仿真

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 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。

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%。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 公gong司si發fa現xian使shi用yong一yi個ge燃ran料liao元yuan件jian的de燃ran料liao電dian池chi手shou機ji的de待dai機ji時shi間jian是shi普pu通tong電dian池chi手shou機ji待dai機ji時shi間jian的de五wu倍bei。除chu了le作zuo為wei手shou機ji電dian池chi，燃ran料liao電dian池chi還hai可ke以yi應ying用yong於yu筆bi記ji本ben電dian腦nao、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zu1fenzhong。yinweibucunzaiputongdianchidezifangdianxianxiang
，ranliaodianchikeyibaochibujianduandianligongying，zhedadajiangdileranliaodianchidebaoyangfeiyonghetigaolexitongdewendingxing。lingwai
，ranliaodianchijuyougenggaodenengliangmidu
，danweizhongliangkeyijuyougenggaodedianrongliang。 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。

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

zairanliaodianchizhong，qingzaiyangjibeiyanghua。zhegeyanghuaguochengfashengzaicuihuahuoxingquyubingzhuanyidianzihelizidianliudedianhe。zhegefanyingxuyaoqingqichuanguoyangjiduokongjiezhidaodacuihuabiaomiandehuoxingquyu。zaiyinji，zhizizaiguticuihuajizuoyongxiaheyanglizijieheshengchengshui。canjiafanyingdeyangtongguoyinjijiechucengshangdejudianjiezhizhongdekongdaodafanyingquyu。jianmomonikeyifaxiandianjishejizhongdewenti。zaiyinji
，yangkuosandaofanyingquyudetongshizhiziyeyaotongguojuhedianjiezhichuanshudaofanyingquyu。weilejianshaochuanshuzuli，yaojinliangsuoduanyangtongguojuhewudelujing，tongshiyaoqiuzugoudejuhewucailiaolaijianshaochuanshuzhizideliziliudezuli。 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 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 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、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
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