英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
在PEMFC中的CFD和流式网络分析
摘要
在燃料电池堆中，接近均匀的流动分布对堆叠性能和整体系统效率至关重要。在每一个单元单元内的流动的非均匀性引起的梯度也对堆堆的耐久性有显著的影响。在典型的配置中，氧化剂和燃料通过流形输入到一个堆堆中，然后通过二次进气口进入每个单元格。在流经单元格后，所消耗的气体以及可能的液态水然后进入出口报头离开堆叠。本文的目的是建立一个实用的模型来预测质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆中的单电池间流动分布。该流动分布首先使用计算流体动力学(CFD)工具CFD- ace ，在三维计算领域内进行单相气体流动。模拟使用一个域，它包含从入口头通过一个单元格数组到出口报头的流。CFD仿真结果表明，在出口报头中，从单元格注入到报头的流量大大改变了流量模式，这导致了轴向流动的截面面积减小。在头的低速端附近可以看到一个循环区域，这可能会成为一个液态水积聚的区域。在进气口处观察到沿流动方向增加的静压。仿真结果验证了在燃料电池堆中与实验测量压力的良好一致性。
基于CFD模拟的观测结果，开发了一个流网络模型，以快速估计流量分布作为堆堆维的函数，包括头和单元格的几何形状。在本质上，流网络模型解决了单元单元和头的每个结点的压力。介绍了三种拟合参数，说明了头部表面粗糙度的影响，降低了出口头的有效头面积，以及单元格的压降。通过对流动网络模型的分析，得到了CFD模拟中所获得的压力变化和流量分布特征。该流网络模型可以有效地匹配实验数据，并可作为PEMFC电堆的初始设计的快速工具。
引言
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其相对较高的功率密度和零排放特性，目前是下一代汽车发动机中最有前途的技术。一般来说，汽车应用的燃料电池堆需要功率在50到100千瓦之间的功率输出，通常是由于空间限制和最佳的单元电池性能限制，以每一堆数百个单元格的顺序装配单元格。对于传统的板框式设计，每个流场板都有作为氧化剂、燃料和冷却剂的入口和出口的端口。当单元单元组装时，这些端口形成的流管道，也称为header，成为连接到电堆外部的流传递流形的流通道。头设计的一个经验法则是最小化进入每个单元单元的流的差异。在一个堆叠的单元电池中，氧化剂和燃料的均匀流共享将避免在竞争对手条件下的单电池退化，例如由于流量分布不均匀而导致的化学计量条件不足。将冷却剂均匀地流进单元单元，可以防止局部过热，从而导致膜电极组件(MEA)的过早失效。
虽然流共享对于燃料电池的设计是至关重要的，但在文献中缺乏分析和设计原则。这一课题最近得到了研究者的更多关注，特别是Baschuk、Li(2004)和Karimi (2005) 等人。在本质上，采用经典的流网络模型方法和适当的模型来计算阻抗系数。计算中还包括计算单元格内的传输量，利用经验公式计算质量和传热效果。他们的模型结果和方法似乎是可信的。然而，并没有尝试与实验数据进行比较。
基于CFD的计算机辅助设计已经成为了在PEMFC中包括研究和开发在内的工程应用领域的一种常见做法，例如Sivertsen和Djilali(2004)等。使用基于CFD的工具，包括完整解析单电池中组件的几何结构和大多数耦合传输的综合解决方案，可以获得对单电池性能的准确预测，并实现最优设计。然而，由于PEMFC所涉及的物理复杂性，整个电堆的CFD模拟计算时间过长，因此，将这些工具应用到燃料电池堆的设计过程中是不实际的。尽管如此，基于CFD的工具有合理的简化，可为指导设计提供有价值的结果。
本文报告了一个PEMFC电堆的主要设计的仿真工具的开发。所开发的仿真工具包括基于CFD的仿真和基于管道流的广义两相流模型的简化流网络模型。CFD模拟的目的是为了深入了解头部流的特性，并为电堆中的流共享提供准确的预测。流网络模型的目标是开发一种简单快速的计算工具，能够根据给定的规格和设计空间对新设计进行快速估计。并将CFD模拟和流量网络模型与实验数据进行了比较。
计算方法
一个单电池的典型设计包括一个或多个入口端口、一组气体通道和一个或多个出口端口。反应物流通过入口端口进入单电池，然后流经气体通道并扩散到MEA中，所消耗的气体从出口端口离开单电池。在各端口之间可能有过渡区域，气体通道的气体通道在单电池内重新分布。在燃料电池堆中，通过装配许多单电池，单电池的入口/出口端口形成一个入口/出口头。在本研究中，我们关注的是单电池沿轴向方向的流动分布，因为单电池的性能往往受到最坏的性能的限制。一个设计不良的电堆在单电池中流动分布非常不均匀，可能会导致一些单电池的化学计量条件不足，而这些单元在电堆中没有足够的流动来供应总电流需求所需的反应物。
在CFD模拟和本研究的流网络模型中，只对进口头、单电池管路和出口头的流进行建模。虽然本文只给出了单元电池阴极侧的计算结果，但同样的方法适用于研究阳极侧的流共享以及流的冷却剂侧。气流被假定为单相。
CFD模拟
本研究使用CFD- ace 的商业CFD软件，模拟燃料电池堆的入口头、单元格和出口头的流动。计算了流场、气体种类和温度分布。用于模拟的3-D模型由一个连接到出口报头的入口标头组成，它由一个细流路径组成，每个通道代表单电池。图1显示了模型的典型计算域和网格。3-D领域类似于垂直于纸张方向的顶部视图的挤压，但燃料电池部分只存在于单元电池厚度的恒定间隔内。头的尺寸是按比例缩放的，而单电池的长度不是。单元电池的长度是任意设定的，其动量阻力是确定的，这样的压降与动量阻力系数和单元长度的乘积成正比，与实验数据相匹配。在CFD模拟中，求解了质量、动量和能量守恒方程。在单电池中，氧的消耗和水的生成分别被视为质量汇聚和源项。进口头的质量流量是根据进口条件、规定的总电流和总化学计量比而计算的:
（1）
气体混合物的密度是根据理想气体定律计算的。根据电堆的总功率输出，流可能会在头部中发生紊流。在湍流条件下，采用标准k-ε模型。单元格内的流动被假定为具有恒定的性质，并且在单元单元的通道上具有均匀的耗氧量和水的生成。单电池被视为具有恒定流阻的动量阻抗，cf. CFD-ACE-GUI(2005)。计算过程中所使用的二次阻抗系数，使单位单电池的压降与实验测量的压降相匹配。一个典型的电堆有200个单电池，大约需要4个小时，在一个6个节点的Linux集群上聚合，其中有2.66 GHz的Intel处理器。
流体网络模型
流网络模型是计算管网流量分布的一种简单方法。FNM的基本思想是将流网络作为一个电路，在节点(管道连接)上连接电阻(管道)。在每个节点上，基尔霍夫定律适用，即向节点的流量总和等于零:
（2）
在每个节点上应用相同的要求，我们有一个方程系统，它将节点的压力作为主要变量:
（3）
入口和出口(假设只有一个)的流速出现在Eq.(3)的RHS上。对于一个有一个头入口和一个头出口的PEMFC电堆两个配置的等效电路如下图1所示。u型在本研究中被考虑。
一种管道内两相流压降的广义方程可以写成，cf. Carey (1992):
对于均匀的单相流(x=1)，具有恒定的通道截面面积和无重力效应。 (Omega;=0),Eq。(4)降低为：
第一项是(5)由于摩擦导致的压降，第二项是通过通道边界的传质。通过重写和m =rho;Au质量流率,确实可以看到,第二项是动态压力的下降:
公式(6)用于本研究。然而，我们注意到，目前的模型可以很容易地扩展到包括由于截面面积变化(如CFD结果所示的出口头)、重力和双向流所造成的影响。
数值实现
为了解决使用(3)的问题，必须用(2)的形式表示两个节点之间的压降的形式的压降(6)。通过将(6)积分到两个节点之间的距离，于是我们得到了：
(5)中的动压项是近似于对于摩擦损失项，可以将下降表示为质量流量的函数，这将在以后解释。摩擦损失和动压变化均以质量流量的形式表示，(7)成为
和Rfr基于流体rho;条件的评估将在下面描述。
由于摩擦而产生的压降
单相流的压降可以用达西-魏巴赫方程计算:
(9)的摩擦因数在文献中是可用的，例如，从穆迪图中，可以得到大量雷诺数的流动。一种修正的穆迪图，cf. Fig. 1 from White(1986)，在本研究中使用，它引入了一个定义为的参数。
对于层流，基于管道水力直径的雷诺数是一个线性函数。
湍流,雷诺数是gamma;的函数和相对粗糙度的表面:
用(10)-(12)到(9)，得到层流和紊流的流动阻力分别为:
在单电池的流动阻力与传质
上述推导假定了通过管道的固定质量流量，这对单位单元内的气体通道是无效的。为了说明在一个单元格内的质量转移，可以假设气体通道的压降是由摩擦损失控制的，流动是层流。用(13)在气体通道上施加压力，我们有：
为单元格内零质量转移的流动阻力。有了(16)，我们就有了有效的流动阻力：
在入口头侧的节点处的质量流量是：
对于出口头端的流量，我们有：
求解过程
为解决流网络问题而开发的计算机代码主要执行两项主要任务:计算以(3)形式的方程系统所需要的流阻，以及矩阵的解。对流动阻力的评价是直接的，尽管需要一个迭代循环来更新(7)和(14)中出现的流速和流体密度。在计算摩擦系数,因为参数gamma;不是一个明确的雷诺数的函数,一个迭代循环需要找到gamma;满足(12)的根源。这个迭代循环使用了bi-section方法。通过选择(13)和(14)的较大值来处理在Re=2000-4000之间发生的穆迪图中的过渡区域。用一种鲁棒分解方法求解矩阵，cf. Press等(1992)。
结果与讨论
cfd模拟
图2显示了顶部视图(顶部)显示了由单元格连接的头的横截面。流场板在纸的同一平面上。侧视图(底部)显示带有多个单元格的头。图3显示了在计算域的中心线上的切平面上的轴向速度，图2中的a - a，为u型结构。入口报头的流量似乎正在平稳地变化，而在出口头，流动明显受到来自单元单元的流动的干扰。速度分布表明，在气流速度较低的报头的死端一侧，来自单元格的二次流的穿透更为明显。随着轴向流在头部的质量增加，二次流对单元格的影响变小。从单元格到轴流的另一种影响是，它使轴流形成两个漩涡，cf.图4，这是在出口头出口附近的一个切面。单元格的二次流和涡旋的形成都有助于减少轴流的有效横截面面积，如果所有的流都穿过整个头截面区域，那么轴流的轴向速度就会比它应该的要高。由于单元格的二次流，在页眉中可得到的横截面面积的减少，导致出口报头的压降显著增加，因为速度梯度较高。
关于水头
图3还显示了入口和出口头两端的大的再循环区域。这可能导致水的冷凝，然后将水注入到头部的相邻单元格或池中。
流体网络模型
对单元格和头的恒定电阻
图5所示的流动网络通过不断的标头阻力和燃料电池阻力来解决问题。本例中没有考虑动量变化引起的压力梯度。图6显示了(a)燃料电池中两种流量配置的预测流量，(b)预测了200个单元格的进气道和出口头的压力分布图。燃料电池与报头的流动阻力比是105。对于u型配置，流从单元#1进入堆堆，并在单元#1处退出，而它在单元#200中以z类型退出。从图6(a)可以清楚地看出，Ztype布局的流分布比u型更均匀，尽管在实践中，u型更易于实现。z型的均匀分布的原因是出口报头的压降与进口头的轴向相同，因此头的压差比u型更均匀。
图7显示了上述情况的归一化流共享，它是单元格中阻力比与头信息的比值的函数。归一化流共享，FS，定义为：
一个较低的FS值表明堆中有更均匀的分布流。如图6(a)所示，z型配置比U型具有更均匀的分布。当单元单元的流动阻力比表头高得多的时候，由于整体的压力变化由单元单元控制，所以流量分布得到了改善，因此流量分布对头部的压力变化不敏感。
参数化研究与属性变化
图8显示了三种不同情况下通过单元格的预测流量。当头部的摩擦因子被人为地增加了5倍(B)时，更多的气流流向靠近入口侧的单电池。当入口头的横截面面积减少到基线值的一半(case C)时，堆堆中的流共享比基线更均匀。图9显示了测试的三个案例的头的压力。对于A和C，压力沿表头增加主要是由于动压的增加。q.指出随着头尺寸的减小，摩擦损失也增加(但不同的动压符号)。然而，由于动态压力的变化，这一损失要小得多。对于A，压力沿流向减小。出口的压力头的情况下测试所有下降沿流因为动压(delta;mgt; 0)沿头和摩擦压力降低。参数研究的含义是,通过仔细操作通道的几何形状的流阻比(增加单电池)和标题维度(如例B和C),一个可以获得流场板的优化设计实现一个堆的最佳流分布。
实验数据验证
在开口处测量压力的实验数据和入口和出口头的死角，用于验证CFD和FNM模型。图10中所示数据的化学计量值为0.1到1 A/cm2之间电流密度的1.8。分别为7.5、5和2.5，分别为0.009、0.013和0.0256。I=1.04 A/cm2的化学计量是1.65，因此比I= 0.86 A/cm2的数据点的压降略低。单元格压降适用于CFD模型的实验数据。在报头中不需要拟合，以获得与实验数据良好的一致性。使用CFD预测的入口和出口头的压降如图10所示。我们可以看到预测与出口头的实验匹配，并且对入口标头稍微高估。使用CFD的预测流共享如图11所示，I=1.04 A/cm2。CFD和FNM预
全文共6390字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[15085]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
