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制造最优化的燃料电池 |
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作者：COMSOL |
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自动化和其他车载应用功能都对燃料电池—它们能量的来源提出各自特殊的要求。在设计电池的时候，许多因素都要被考虑进来：电池潜能，正负极气压，相关的湿度（指的是燃料和氧化剂内的水有多少），甚至是关键部位和关键部位里面隔膜和气槽的尺寸。
不仅是一个最佳的设计
COMSOL Multiphysics软件已成为Galip Guvelioglu在里海大学（宾夕法尼亚州，伯利恒市）做博士研究的重要工具。在Harvey Stenger 教授的指导下，他主攻质子交换膜燃料电池（PEMFC）的优化设计研究。据他解释道，提供最佳性能的设计和操作条件主要取决于应用的领域。固定的、便携式的和运输应用都有各自不同的要求、不同的操作环境，可用的燃料和氧化剂条件也各不相同。一个PEMFC电池在固定的应用条件下，可以使用完全潮湿的燃料并受益于压力机制造的空压，因为这可提高电池的输出能量。相反的，一个燃料电池在便携式的应用条件下，如笔记本电脑或手机可在大气的环境下使用。因此，燃料的含水量和便携式电池的空气湿度受到约束。
其他要求也随应用环境而变化。移动设备对燃料电池在运输环境的启动时间和快速反应要求并不及固定环境中电池一样高。燃料电池的重量对于移动设备来说更重要，这也限制了制造电池的材料选择。这一切对于Guvelioglu意味着“COMSOL Multiphysics软件让各种空间立体结构、材料和操作环境的组合都快速并简单的显示出来，最后决定出最佳的应用设计”。
内部一瞥
让我们更加具体地来看看这些要求对设计的影响，首先请看图1中PEM燃料电池的内部操作。PEM电池是由它使用的电解液种类而得名，它是一种聚合物质子交换膜，最佳的质子导体。质子交换膜被夹在两层铂金阳极催化层中间。这两层催化剂由多孔渗水的分气电极支撑，一般由碳衣制造。这整个电极组被称为膜电极组（MEA），通常它的厚度是0.5-0.8 mm。最后，MEA在两板中间，这两层板的腐蚀槽不仅作为电池输入和排出产物的运输道，还作为电流的储存层。
在操作过程中，燃料电池持续给阳极（负电）输入气态的氢，并输入氧化剂如空气中的氧气给阴极（正电）。电极处的电气化学反应产生电流（见图1）。
图1－质子交换膜（PEM）燃料电池的两个关键因素是
催化剂层和质子交换膜，前者将氢分为质子和电子，后者允许质子
由正极向负极转化，同氧气和电子结合生成水。
燃料电池，虽然和一般电池相比有相似的部分和性能，但在一些方面还是有区别。电池是能量储存设备，它最大的可用能量是由电池内部储存的化学物反应来决定的。而燃料电池，从另一方面来说，是能量转换设备，理论上说只要对电极提供燃料和氧化剂就可以产生电能。
燃料电池反应产生的废物是水和热量。因为燃料电池直接将化学能量转换位电能，产生最大的理论上功率是不受卡诺循环约束的。PEMFCs 一般可达到的燃料功率比普通电池高50%，并且有几大理由被应用于汽车领域。首先是由于他的高能量密度-今天他们能够很容易达到1 A/cm2。一个单独的燃料电池能产生高输出能量0.6 V，所以可以得到可用的压差，和普通电池一样，工程师将多个这样的电池串联使用。持续改进工程和材料以增加能量密度，这样一个比内部燃料发动机还小的燃料电池组产生的能量，可以供应一辆中型巴士汽车。
为了让这项技术在商业市场领域可行，研究者仍然需要面对几项挑战。电池在输入燃料和空气时遇到杂质会十分敏感。同时工程师们必须全面降低价格。PEM燃料电池的主要成本在于那些用在产品上的材料，其中铂金电极占了50% 的两极板材料成本。
现在研究者们在想办法降低铂金使用需求，并通过改进电池槽设计和对其他可替代材料进行实验来提高铂金的使用效率。他们也尝试在改进性能、制造方便性和操作灵活度的同时，通过提高满电池可靠性和耐用性来提高效率。
“当我告诉我的同事，‘我可以用不到一个小时做一个模型’，他们都非常惊讶。这个秘密武器就是COMSOL Multiphysics软件。”
COMSOL Multiphysics 软件的许多优点
为了达到这些目标，Guvelioglu 一直在找寻最合适的气体槽大小和形状，同时也在选择合适的电池构造部件。他也在对水和热处理进行试验寻求产品可靠性的改进。
他最主要的工具之一是COMSOL Multiphysics，选择它有许多理由。他倾向于商业CFD（计算流体力学）软件包在模型建造方面使用，或创造一个PDE 解决器来为所研究的所有应用环境做模型。大多数CFD软件包需要工作区或模型简化来得到他们的应用模型以满足要求。另外一个使用COMSOL Multiphysics软件的原因，是它可以帮助完成自定义PDEs。 “撰写我自己的PDE解决器为PEM燃料电池制造模型，就像是只需要去一趟超市，就可以发明轮子接着是汽车。COMSOL 给我提供了几百个程序员一年时间给我，使用COMSOL Multiphysics 软件我得到了最好的帮助----受益于他们的开发工作，我可以非常自由灵活得处理我自己的PDEs。”
另外一个主要的优势在于，COMSOL Multiphysics 将MathWorks 中的Matlab和Simulink 紧密结合在一起。一个完整的燃料电池系统包括压缩机，泵，增湿器，热交换机，转换器和电压机。拥有一个高效的燃料电池并不意味着整个系统都是高效的，所以工程师必须在设计和优化的时候了解整个系统。为了实现这个目标，Guvelioglu 想要他的燃料电池模型同能量应用汽车仿真器（ADVISOR）部门结合在一起。这个仿真器结合计划对部件性能做出评估，如电机，电池，反应转换器，气候调节系统，可选择燃料和其他可能影响燃料经济、性能或散热的改进。在这种情况下，他将自己的COMSOL Multiphysics模型拿出来，并转换为Matlab M- 文件，他称之为标准Matlab功能。
图2-
这些图片表明在三种不同电流密度下，加湿氢和空气分别
在常压3和5，温度在80°C 时PEM燃料电池膜水含量和燃料电池净水流向量。
使用键盘直接进入自定义PDEs
之前已经提到过，Guvelioglu需要在特殊的PDEs 进行工作。燃料电池是一个复杂的多物理量设备，除了常规的一些物理量之外，还包括了特殊的物质运输方程，这些方程描述了水在膜内的运输环境。因为质子在膜内的运动影响水运输、普通的转换和扩散，这些方程就显得很重要。他的应用在多孔渗水电极流动中使用了达西法则，在多成分的散式、转换、电极核隔膜中的电荷平衡中使用了Maxwell-Stefan方程，并在催化层本地电流密度处使用了Butler-Volmer 动力学原理。
“COMSOL Multiphysics给我机会能够专心解决燃料电池问题而不是把时间都浪费在学习使用一项特殊工具上。”
另外，在特殊的水物质流量方程中，第一个公式支配了迁移过程。这个公式没有包含通常说的运输过程，但在COMSOL Multiphysics 软件却有灵活的用户界面，让他可以直接在画图用户界面自由地设置公式，而不用写用户编码，编译之后可连接到软件包。
与热处理相连接，这个分析是仿真器很重要的组成部分，因为膜内水浓度变化导致离子传导性增强，继而增强燃料电池的效率。图2中的表格总结了三种操作电压下（电流密度）隔膜中水的成分和净水流量。在低电流密度下（左边），由于负极的高压，净水流量从负极到正极，自然正极的水含量高。当电流密度升高（中间），迁移的流量超过了扩散的和对流的流量，净水流量改变方向。当电流密度再次升高，迁移流量、扩散流量和对流流量差变大，右边图中膜的水含量就明显减少。低水含量增加了膜的电阻，温度也随电阻热量升高而变高，会对膜产生潜在的损害。同时，增加的净水流从正极流向负极，表明从负极到正极回来扩散和转换的水不够让膜保持一定含水量，需要增加燃料和氧化剂添加多于的水来增加湿度。但是如果增加过多的水，会让电极被水淹没，制造运输限制并降低能量的输出，甚至使输出中断。因此，Guvelioglu使用他的COMSOL Multiphysics模式来小心平衡水含量，保持高效可靠的燃料电池工作状态。
简单的模式优化
在设计电池的时候，每个方面都起作用：电池电压，正极和负极的气压，相关的密度（指燃料和氧化剂中含有的水），各个部分的尺寸，以及里面最重要的膜和气槽。
Guvelioglu 多数时候利用带Matlab 的COMSOL Multiphysics软件来优化模型和做多数灵敏性工作，因为其中的控制线进入系统给他提供了巨大的便利，来研究模型的几何参数，如槽和两极板侧翼尺寸，还有操作条件等。他可以使用For 回路－其他CFD 软件包中没有的功能，进入单独的Matlab M-文件中来研究。他解释道，“通过COMSOL Multiphysics软件，我可以编辑代码中的某一条来改变槽的大小。COMSOL Multiphysics软件同时也给我提供便利，只需要一个软件和用户界面就可以完成几何，废物和后处理。我可以在完成几个指南后数小时内使用工具做模型研究，COMSOL Multiphysics给我机会能够专心解决燃料电池问题而不是把时间都浪费在学习使用一项特殊工具上。”
对于Guvelioglu来说，这个工具的灵活性和简单转换功能还被用到其他领域研究。“我们使用COMSOL Multiphysics软件不仅仅作为燃料电池的研究，还运用在解决其他问题上，如等离子发电机和电解器。它帮助我们节省了很多时间。现在我可以用它建造完全不同的模型，而比用其他CFD软件包时间要少的多。当我告诉我的同事，我可以用不到一个小时做一个模型，他们都非常惊讶。这个秘密武器就是COMSOL Multiphysics软件。”(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/8/2007) |
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