计算流体力学

晓林 · 发表于 16-11-2008 18:11:41

在进行燃料电池汽车设计中，有一个环节为燃料电池极板流场设计，需要运用计算流体力学（CFD）方法，CFD模型能够运用数值方法模拟流场结构的几何尺寸、流体力学、多相流和电化学反应之间的复杂的相互作用。
教材如下：

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燃料电池的流场设计的目的是使反应流体的压降最小（降低对寄生泵的要求），同时为反应提供从扩散层到催化剂表面的、适当和均匀分布的质量传输。以PEMFC（质子交换膜燃料电池）为例，双极板堆设计中三种最常见的流场配置是蛇形、平行和交叉梳状配置。蛇形流场的一个优点是通道中的任何障碍都无法全部阻塞障碍的下流活动。缺点是流经整个流场时反应物被耗尽，因此必须提供适当数量的气体，以避免过度的极化损失。当空气用作氧化剂时，伴随阴极气流分配和电池水管理，通常会出现问题。当燃料电池长时间工作时，阴极生成的水会在阴极积累。需要力量来将水排出流道。当在燃料电池电极表面进行流分配时，这种设计是比较有效的。不过，这种设计可能会因流道比较长而引起大的压强损失。对工作电流密度大、板非常大或以空气作为氧化剂的情况，基于蛇形设计提出了可选设计方案。就是可使用几个连续的流道来限制压降，并降低用于压缩单个蛇形流道上空气的功率大小，这种设计方案使得不会因水积累而在阴极表面形成任何迟钝面积。流道上的反应物压降小于蛇形流场，但因各蛇形流场通道很长，压降仍会很大。
  在平行流场设计配置中，流道要求减少每个流道中的质量流，并以更小的压降来提供更多的均匀气体分配。
如果以空气作为氧化剂，那么就会发现，在长时间工作后因水积累和阴极燃料分配，电池电压可能出现下降
和不稳定现象。当燃料电池连续工作时，水将积累于流道中。平行流场配置的缺点是，一个流道中的一个障碍
将导致剩余流道中流的重新分配，并因此存在一个阻塞死去下流。各流道中的水量可能各不相同，这将导致
气体分配的不均匀。这个问题在针形流场中也存在。这种设计的另一个问题流道短，方向变化小。结果是流道中的
压降低，但管道系统中的压降和堆分配歧管装置中的压降可能不低。靠近歧管装置入口处的最初少数几个电池将
比靠近歧管装置末尾处的各电池拥有更大的能量。
  交叉梳状流场设计中的反应物流平行于电极表面。通常，从板入口到板出口的流道是不连续的，流道是死端
的，这使得反应物流在压力作用下穿过多孔的反应物层，到达连接于歧管装置的流道上。这种设计可有效
的将水从电极结构中移走，防止淹没并增强性能。交叉梳状流场是一种好的设计，原因是气体被送入电极的
活化层，使得对流避免淹没和气体扩散限制。尤其是在阴极一侧，性能要好于传统的流场设计。交叉梳状
流场的一个变种是螺旋交叉梳状流场。
  另外还有一种针形流场，这是一种替代传统流场的设计。最常见的针形矩形针或管状针，从板上突出。穿
过凹槽的气体/液体流由这些针形成。针流场导致低的压降，不过有可能存在迟钝的反应物区域、不均匀的
反应物分配和差劲的燃料电池性能。这种类型的板雷诺数可以从几十到几百。

[ 本帖最后由晓林于 16-11-2008 18:36 编辑 ]

fangqiwan · 发表于 3-4-2018 11:54:46

好专业呀！

计算流体力学

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