e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

运用仿真技术设计燃料电池系统

2016/12/27    来源:互联网    作者:Keiichi Yamamoto  Eiichi Yasumoto  Masataka Ozeki      
关键字:燃料电池  仿真技术  
采用燃料电池系统有望实现家庭发电。松下公司( Panasonic Corporation)利用仿真技术降低了此类系统的成本,使它们更具商业可行性。

    家用燃料电池热电联产系统是一种新的发电和供热方式。这种系统可以在单独住户的家中安装,并利用氢与氧之间的电化学反应产生电能。从本质上说,它就是一种环保型家用发电厂。所需的氢气可从住户天然气管道(如果有)中获取;氧气则由环境中的空气提供。即便在所需电力输出较低的情况下,这种系统也能够高效地产生电能,并且有望提高节能效果并降低CO2排放量。

    松下公司正在研发一套名为Ene-Farm的家用燃料电池热电联产系统。公司亟需在广泛部署之前克服系统成本和可靠性方面的难题。为降低成本,工程师需要更充分地了解氢离子是如何流经膜电极组件( MEA)中的薄膜,MEA正是高分子电解质膜燃料电池( PEMFC)的核心部分。松下工程团队使用ANSYS仿真软件以及公司内部研发的软件,针对不同材料和燃料电池的MEA进行建模。仿真技术帮助该团队大幅降低了Ene-Farm的直接材料成本,同时提高效率并提升商业潜力。

    在MEA中,氢原予经过阳极材料层时在电池的阳极释放电子,然后质子到达催化材料层。电子回到阳极电流集电体,并通过负载电路到达阴极(空气)侧,从而产生电能。

    本质上它就是一种环保型家用发电厂。

    然后,其余的氢离子穿过高分子电解质膜,并与阴极侧的电子和氧气发生反应,产生水蒸气,即燃料电池反应的最终产物。

    尽管这些反应相对简单,但是穿过MEA不同层的粒子(原子、离子)传输性质十分复杂,它们之间必须保持良好的平衡,从而实现PEMFC的性能最大化。

研发准确的气体扩散模型

    要对穿过薄膜的扩散情况进行仿真,就需要采用一种能解决宏观尺度和微尺度效应的方法,从而实现优化。具有完整多分量扩散分析功能的ANSYSFluent燃料电池与电解作用附加模型可用于宏观仿真。对于微尺度建模,有几种方法名为多分量Lattice Boltzmann的方法( MC-LBM)以支持多分量气体扩散。在通过与实验结果进行对比来验证微尺度模型之后,该团队使用用户自定义功能( UDF)对ANSYS Fluent燃料电池和电解模型进行修改,并纳入了MC-LBM方法。

    在广泛部署之前,松下公司需要克服系统成本与可靠性方面的难题。

图1 松下的Ene-Farm家用电力系统采用燃料电池堆来发电。

图1 松下的Ene-Farm家用电力系统采用燃料电池堆来发电。

    气体扩散模型中的一个重要参数是用于描述多孔材料渗透度的渗透系数。松下公司的工程师使用微尺度模型计算出各种膜材料的渗透系数,并将这些值作为CFD模型的输入。通过这种方式,他们为燃料电池的每一层创建了有效的模型,从而能够准确预测整体性能。除还包含其他参数,例如有效导电率、有效热导率和有效扩散系数。尽管工程师对所有这些参数值进行了计算,但这里将重点介绍使用Fluent和MC-LBM确定多孔材料有效扩散系数的过程,这是由于该系数对PEMFC的性能极为重要。

图2 燃料电池如何产生能量

图2 燃料电池如何产生能量

确定有效扩散系数

    为了计算多孔材料的系数,松下公司的工程师创建了一个流域模型,其中,材料夹在两个流道之间,每侧有不同气体流入。他们利用内部研发的微尺度算法执行仿真,以计算每种气体在通道出口的摩尔分数值。

图3 PEMFC原理图显示了包含膜电极组件(MEA)的不同层

图3 PEMFC原理图显示了包含膜电极组件(MEA)的不同层

图4 利用约1厘米的宏观流道将ANSYS Fluent的结果与采用内部仿真工具的多分量Lattice BoItzmann法(MC-LBM)仿真进行对比

图4 利用约1厘米的宏观流道将ANSYS Fluent的结果与采用内部仿真工具的多分量Lattice BoItzmann法(MC-LBM)仿真进行对比

责任编辑:马倩
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐