直接甲醇燃料电池瞬态特性的数值研究.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123572
直接甲醇燃料电池瞬态特性的数值研究
杨卫卫,李印实,何雅玲*
(西安交通大学,热流科学与工程教育部重点实验室,能源与动力工程学院,陕西西安 710049)
(Tel: [phone], Email: ******@.)
摘要利用直接甲醇燃料电池瞬态二维两相传输模型研究了电流阶跃变化和阳极通道气体堵塞时电池电压以及组分传输的动态响应规律。研究发现:电流密度突降时,电池电压出现过脉冲现象,这是由阴阳极过电势的响应趋势和响应速度不同造成的。电压长时间响应是由膜电极内甲醇缓慢的传输过程引起的。当阳极通道突然气体堵塞时,电池能够正常运行一段时间,原因是扩散层的孔隙中储存有一定量的甲醇。但若气泡停留时间过长,电池电压必然下降。
关键词直接甲醇燃料电池;瞬态运行;响应特性;数值模拟
0 前言
直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cells)具有能量密度高,系统紧凑,结构简单以及可快速补给燃料等优点,在便携式或移动式设备的电源方面具有广阔的应用前景[1]。实现电池结构和运行参数的优化首先要对电池内各种物理化学过程进行深入分析。对于便携式和移动式系统而言,电池经常处于动态的运行状态。因此,需要深入研究由于电池运行条件的波动而引起的电池性能的动态响应过程及其特性,以便更好的设计和控制电池系统,以达到其最佳的工作状态。
到目前,已有一些相关的实验研究来理解电池的动态运行特性[2-6]。通常,简单的方法就是通过突然改变电池运行电流或其他条件来观察电池电压的动态响应过程。如Sundmacher 等[2-3]研究了电池阳极侧甲醇浓度动态变化时电池的电压响应规律,结果发现电池电压有明显的提高。还有一些学者实验研究了电池运行电流阶跃变化时电池的电压响应特性[4-6]。结果表明,当电流突然降低时,电池电压出现了明显的过脉冲现象。除上述实验研究外,直接甲醇燃料电池的数值模拟也可有效地分析电池内各种相互耦合的物理化学过程和研究电池各种运行条件下的瞬态运行特性。迄今为止,绝大多数的直接甲醇燃料电池模型都是稳态的[7-13],而瞬态模型相对较少。Schultz 等[14]利用一维多组分非稳态传输模型研究了甲醇供应浓度阶跃跳变时电池电压的动态响应特性。模拟结果表明电池电压出现了过脉冲现象,这是由于阳极过电势和阴极过电势不同的响应时间导致的。Krewer 和 Sundmacher [15]模拟了电池电流突变时电池电压的响应,结果表明甲醇窜流的动态变化是引起电池电压过脉冲的主要原因。然而其它数值研究[16-17] 又得出了不同的结论,即阳极侧电化学反应过程是导致电池电压出现过脉冲现象的主因。需要指出的是,上述模型[15-17]中组分的传输过程被假设为非常快,达到了准稳态过程,这一假设与实际物理过程相矛盾。近期, Yang和Zhao [18]开发了瞬态二维两相的直接甲醇燃料电池模型,模型中详细考虑了甲醇瞬态传输过程,甲醇的复杂反应机理,以及电池双电层电容等因素对电池动态运行特性的影响。
该模型预测电池电压的响应时间可到几十秒,与实验发现相近,并且远远高于其它模型[15-17]的预测。导致电池电压的长时间响应主要是因为缓慢的甲醇传输过程,说明其它模型中假设电池内组分传输非常快,达到准稳态过程是不合理的。
上述大多数研究主要是观察当电池运行条件变化时电池电压的动态响应规律,而很少去分析电池内部组分的瞬态传输过程。本文中以模型[18]为基础,详细研究了两种非稳定运行状态如电流阶跃变化(负载波动)和阳极通道气体堵塞(阳极通道内瞬态的气泡移除过程)时电池电压动态响应特性以及电池膜电极内瞬态的组分传输过程。
1 直接甲醇燃料电池瞬态模型
图1所示为直接甲醇燃料电池膜电极的典型二维模拟单元,包括阳极扩散层,阳极微孔层,阳极催化层,质子交换膜,阴极催化层,阴极微孔层,阴极扩散层。膜电极被夹在两个平行流场中间。考虑到几何对称性,模拟区域只考虑一半的流场覆盖区域和一半的肋骨覆盖区域。
图1 直接甲醇燃料电池膜电极二维模拟区域
阳极多孔层内物质传输过程
阳极侧的瞬态两相流动和组分传输主要涉及四个变量,包括阳极液相压力、阳极气相压力,液相甲醇浓度和气相甲醇浓度。尽管实际阳极气相中包含水蒸汽,但水蒸汽对于其他组分的传输影响不大,故在此不考虑水蒸汽的传输过程。上述四个变量的控制方程如下:
(1)
(2)
(3)
(4)
在疏水性多孔介质中,气相压力和液相压力的差值即毛细压力, 可由下式表达[19]:
(5)
式中s是液相饱和度。
为考虑两相间甲醇的蒸发和冷凝,我们通过下式来表达液相和气相界面间的甲醇传输速率[18