确定质子交换膜燃料电池阴极两相流压降的新方法及其在水管里中的应用外文翻译资料

 2021-11-26 10:11

英语原文共 12 页

确定质子交换膜燃料电池阴极两相流压降的新方法及其在水管里中的应用

摘要:在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中,阴极处的压力降低可用于对水的管理。然而,确定阴极两相流压降的方程如今尚未报告。本文旨在开发一种新的方法来计算这种压降。其独创性在于,当阴极压力上升时,阴极压力下降实际上经历了两次跳跃,通过溢流过程中的两个水位和空间平均水膜的状态来确定压力实时下降。首先,提出计算阴极单相压降的方程,涵盖了所有的工作条件,并在一个10kW的燃料电池堆中验证了新方法。其次,我们发现存在一个稳定的两相流压降与单元通道中的等效薄膜流动相联系,并提出了一种确定该压降的新方法。最后,基于压降的水管理策略应用于34cmsup2;燃料电池,其压降速率减小35%,从72 mV/h降至47 mV/h,长时间低于2.0的阴极化学计量时,寄生电流消耗减少了50%。因此,这一策略被证明能有效的避免溢流,减少空气压缩机的消耗,并延长单次操作的运行时间和燃料电池的寿命。这篇论文将有助于燃料电池的商业化。

1 引言

膜电极中需要适当的水量维持质子交换膜燃料电池(PEMFC)的正常运行。在许多关于PEMFC的研究中,水管理是一个非常重要的领域。从技术上讲,找到燃料电池中在解决上述问题时能表明最合适水用量的一个定量的标准是很必要的。

符号

phi;

两相乘数

Z

压缩系数

Rho;

压力(Pa)

chi;

摩尔分数

Delta;Rho;

压降(Pa)

Q

流量

下标

Qm

质量流量(kg/s)

l

液相

Qv

体积流量(SLPM或SLM)

g

气相

K1

一次系数

f

沿路径压降

K2

二次系数

j

离散压降

mu;

动态粘度(Pa·s)

a

干空气

T

温度(K)

w

蒸汽

Rm

气体常数(8314J/(kmol·K))

stoi

化学计量比

L

通道长度(m)

mix

混合气体

n

通道数

in

入口

A

通道横截面积(m2

out

出口

Dh

通道水力直径(m)

sat

饱和状态

M

摩尔质量(kg/mol)

x

距入口x米

Vm

速度(m/s)

ideal

理想气体

RH

入口空气相对湿度

在某种程度上,流道中的水量反映了PEMFC进口和出口之间的压降,增加了我们对这一现象的注意。与基于电压或阻抗的水管理不同,基于压降的水管理可以提前识别水相关的故障,即在性能显著下降之前,因为压降可以作为一个基准。

大多数情况下,阴极流道是两相流工作的。因此,对两相流的压降模型其进行了研究,给出了进行水管理的定量标准。安德森等人用参数phi;sup2;表示两相流压降与气体单相压降之比,来确定两相流压降。phi;sup2;通常采用LM算法测定。LM算法通过减小两相流压降,使其变成单相流压降来简化计算。其逻辑是:(a)得通过实验得到单相流压降Delta;p和Delta;pg;(b)计算参数chi;2:chi;2=Delta;pl/Delta;pg;(c)用定义公式phi;sup2;=Delta;pgl/Delta;pg来计算两相流压降Delta;pgl。经典的LM算法是基于三个假设:均质气液混合物,一致的流量和零水产生。这个方法需要Delta;pl和Delta;pg的实验数据,并依赖于经验系数C,这与流动模式有关并且必须在不同情况下确定。张等人采用这种方法来确定在非均匀注水条件下的压降。根据多孔介质中达西定律,他们假设水连续注入通道,注入速率与GDL两侧的压差成正比。这种假设使压力下降更接近实际应用。Rupak等人计算了两相流压降并成功使用压降乘数进行水故障诊断。给出了三种状态下的乘数范围,即正常,泛滥和干燥。

在某种程度上,上述确定两相流压降的研究仍然具有非原位性质。研究人员需要通过大量实验数据得到C和chi;2 ,这限制了压降的在线应用。但是,在水管理或诊断中,有必要获得即使在不同的操作条件下,也能确保在线和实时下降。因此,需要提出一种更有效的方法来全面计算这种压降。Pei等人提出了一种在线确定压降的方法。但是,它用于单相流动并在阳极进行。该方程式或方法不能用于确定阴极的压降,因为其状态与阳极的状态完全不同。首先,空气流速远高于氢气流速,因此离散压力损失不容忽视。其次,与阳极不同,阴极处的空气入口通常是加湿的。因此,最好计算覆盖所有可能的入口相对湿度的阴极压降。最后,压力和潮湿空气的密度沿着通道不断变化,必须考虑这种情况。只有在确定

阴极压降时才能提出并验证基于压降的水管理。Song等人提出了一种使用阳极压降进行水管理的方法。他们通过比较实时压降和单相流压降来给出溢流程度。然而,在阳极侧并不总是发生溢流。仅监测阳极处的压降是不够的。因此,在实际燃料电池运行中,还需要监测阴极压降,以便找到进行水管理或进行水故障诊断的方法。因此,如果监测阳极和阴极的压降并且基于其压降产生相应的水管理策略将会更好。但它们都需要量化阴极压降,即使在单相流的情况下,也很

少报告适用于不同燃料电池和运行条件的阴极压降。此外,压降可以通过仿真模型确定。大多数这些模拟都是基于液滴动力学并使用VOF方法。他们通常关注液滴的形成,变形和分离,并计算液态水饱和度以说明淹水条件。然而,考虑到CFD模拟通常需要很长时间,基于模拟的压降计算很少用于在线水管理。除水管理外,阴极压降的计算也有助于设计流场。根据Li等人的说法,在给定条件下,如果阴极出口处的湿空气保持饱和,则预先知道阴极流场的压降,这也有利于保持PEMFC不产生水,也不会脱水。因此,可以通过将计算的压降与已知的压降进行比较来修改阴极流场。

最后,还有其他一些方法来进行水资源管理。例如,可视化与压降相结合。Murakava等人通过中子射线照相术研究了水分布对蛇形通道PEMFC性能的影响。他们定性地证明了时域压降和水厚度的变化,发现压降随水厚的增加而增加。Klaus等人使用透明燃料电池研究了双平行直通道中的水累积,他们还发现了压降与水膜厚度是正相关。没有给出压降的详细分析,更不用说定量分析了。

简而言之,需要开发一种有效且实用的方法来确定两相流的阴极压降。这种方法应在线和不同的操作条件下进行。但是,在出版物中很少有报道。

本文主要的贡献和创新性是确定采用特殊平均的理念,在水管理方面具有高效率,可实现两相流压降。在计算两相流压降时,必须预先确定单相流压降。给出了确定阴极单相流压降的计算,并且在10kW燃料电池堆处验证了该方法。一个稳定的两相流压降在一个单元通道中连接着一个等效膜流使我们最初的发现之一,基于此提出了确定这种压降的新方法。最后,提出并验证了基于压降的水管理策略。

2 阴极单相流压降的计算

流过通道的气体经历压力损失,主要可分为摩擦损失和离散损失。因此,压力下降由下式给出:

Delta;p=Delta;pf Delta;pj (1)

等式(1)忽略由流量变化引起的加速压力损失。根据伯努利方程,加速压力损失与入口和出口流速的平方偏差有关。但是,在普通的化学计量比下,即使氧气用完,空气的流速也不会显着变化。

通常,主要使用蛇行通道或者平行通道。根据我们的知识,设计者总能确保每个通道的流动状态是层流,这在商用燃料电池中可以用常用的化学计量比观察到。流经该燃料电池通道的气体速度为0-20 m/s,雷诺数小于1500。因此,本文中蛇形和平行通道的摩擦力和离散压力损失均计算在内。计算基于以下假设:

  1. 蒸汽和空气均匀混合。
  2. 沿通道的相对湿度(RH)等于入口HR。这是因为在单相流动阶段,几乎不会产生液态水和电渗阻力(EOD)进入通道。
  3. 沿通道不同位置的氧气消耗率是相同的。
  4. 几乎没有交叉流动,这意味着空气通过气体扩散层(GDL)

进入相邻的通道。

2.1 摩擦压力损失

根据Hagen-Poiseuill方程和阳极压降计算,给出氧气沿着通道的线性消耗,摩擦压力损失是:

(2)

湿空气的质量流量是:

(3)

蒸汽的饱和压力是:

(4)

位置chi;处的总压力由于氧气的消耗而改变。因此总压力可表示为:

(5)

根据计算,在0-100℃和101-404 kPa的条件下,可以使用理想气体方程计算湿空气的密度:

(6)

(7)

湿空气mu;mix的粘度是温度的作用,入口压力和入口RH,计算结果如图1所示。

事实上,商用PEMFC通常在0-90℃的范围和101-404kPa的压力下工作。考虑到该区域中潮湿空气的粘度与温度的函数相关,计算湿空气粘度的公式如式(8)所示,通过使用最小二乘法拟合这些数据。

(8)

因此,通过组合方程式(2)-(6)计算摩擦压力损失。

(9)

积分内的部分大致可视为常数1。通过用体积流量代替质量流量并结合等式(8),摩擦压力损失可写为:

(10)

图1 在不同温度,压力和入口相对湿度下空气的粘度

2.2 离散压力损失

离散压力损失主要发生在蛇形通道的入口,出口和每个弯曲处。这些离散损失与速度的平方成正比:

(11)

i代表每一个离散的损失。对于给定的燃料电池,无论流动状态是层流还是湍流,比例系数zeta;应是恒定的。通常通过查找获得该常数,可能不适用于燃料

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