氧化物燃料電池動態性能的COMSOL模擬

程龍泉，魏金民，趙 凱

(1.四川機電職業技術學院，四川攀枝花617000；2.攀枝花學院電氣信息工程學院，四川攀枝花617000；3.攀枝花市森威格太陽能科技有限責任公司，四川攀枝花617000)

氧化物燃料電池動態性能的COMSOL模擬

程龍泉1，魏金民2，趙 凱3

(1.四川機電職業技術學院，四川攀枝花617000；2.攀枝花學院電氣信息工程學院，四川攀枝花617000；3.攀枝花市森威格太陽能科技有限責任公司，四川攀枝花617000)

電池的溫度和氣流流動的主要影響因素是熱量的生成和散發，同時材料間的相互擴散也會導致電池性能的逐步降低，所以氧化物燃料電池中氣流、壓力、氣體濃度的相互關系的描述在氧化物燃料電池的研究、開發中是非常有必要的。通過COMSOL軟件建立氧化物燃料電池仿真模型模擬電池的動態性能，進一步研究電池內氣相流動結構、質量平衡及能量守恒等問題。借助對電池兩極內氣體的濃度、質量以及壓力等的觀察分析，確定單電池內電流分布以及反應氣體質量的實時改變情況，為氧化物燃料電池結構的優化設計和參數控制提供參考。

COMSOL；計算機模擬；氧化物燃料；動態性能

Abstract:The main factor influence battery temperature and air flow was the heat generation and sporadic,and the performance of the battery was gradually reduced by the interdiffusion between the two materials.So the relationship between flow,pressure,and gas concentration in the oxide fuel cell which described in the oxide fuel cell research and development was very necessary.The simulation model of oxide fuel cell was built by COMSOL software to simulate the dynamic performance of the battery.The structure,mass balance and energy conservation of the gas phase flow in the cell were further studied.The single cell current distribution and reaction gas quality real-time change situation were determined by the observation analysis of gas concentration,quality and pressure in the polarity of the battery.It provided the reference for the structure optimization design and parameter control of the oxide fuel cell.

Key words:COMSOL;computer simulation;oxide fuel;dynamic performance

將碳氫化合物的化學能通過電化學反應的方式直接轉化成電能的有效裝置有很多類型，但是氧化物燃料由于其具有電池轉化效率高、清潔無污染等特點，近年來越來越多地受到各國研究者的關注。影響電池最終輸出性能的因素主要有電池的內部結構以及電化學反應的進程，通過對電池內部氣流、壓力、氣體濃度的一系列變化的觀察，借助相關的計算機軟件對氧化物燃料電池電化學反應過程進行數值模擬并且加以動態性能分析，可以對電池的結構設計、操作過程進行優化，有效節約成本，得到更好的使用效果[1－2]。

COMSOL是一種區別于傳統軟件的流體動力學仿真計算軟件，在建立仿真模型方面具有出眾的表現，可以解決目前研究中的很多難題[3]。COMSOL可以和Matlab等常用的控制軟件聯合使用，解決了電池動態性能難以描述的問題，使得提高電池性能的研究進一步發展。本文借助COMSOL模擬氧化物燃料電池動態性能，為氧化物燃料電池結構的優化設計和參數控制提供參考。

1 工作原理與模型建立

氧化物燃料電池工作原理如圖1所示，結構如圖2所示。在建模之前首先進行如下假設：(1)本體由兩個多孔氣體擴散電極、兩個通道和分散在中間的氧化釔和穩定氧化鋯構成；(2)正極和負極通道中的氣體流動方向為對流；(3)在電池兩極通道中的燃料分別為含有少量水分的純氫以及氧和氮。

圖1 氧化物燃料電池工作原理

圖2 氧化物燃料電池的結構

2 數學描述

在氧化物燃料電池使用過程中，熱量、電化學系統之間關系非常密切，相互影響。燃料電池在運轉過程中的熱量、流量和使用溫度可以利用流體動力學中的守恒定律進行計算。在這個過程中主要包括質量平衡、能量守恒、動量守恒這三個方面[4－5]。

本文中，采用在質量連續性方程基礎上建立的Maxwell-Stefan擴散與對流模型，這種模型能夠具體、準確地描述該傳質過程。

本文中，依照仿真選取模型氣體成分簡單的特點，做出氣流成層流狀態的假設，由式(1)進行估算：

式中：Dh為水力直徑；Re為雷諾數；L為氣體氣流長度；f由管道形狀決定。為了減少計算工程的復雜程度，采用了對模型相應的反應界面直接選取計算方式。

3 動態性能仿真分析

在COMSOL軟件中利用偏微分方程(PDE)建立了電池性能模型，因此可以很好地解決耦合問題。氧化物燃料電池的模擬仿真過程為：(1)氧化物燃料電池幾何形狀的建立；(2)將包含參數的文件信息導入軟件系統，并且設定合適的邊界條件；(3)在對模塊進行選擇后，為其設定參數；(4)網格的劃分；(5)使用求解器，等待后處理。

兩極間的氣體通道不是均勻分布的，極板中的動態傳質過程同樣也是不均勻分布的。為了保證質量變化在邊界上是連續且平滑過渡的，在模擬仿真中，假定入口的壓力、質量為設定值時，出口位置依然是對流形式。在研究中采用Maxwell-Stefan擴散與對流模型描述這種多組件間的氣體流動質量的變化。對于正極板、負極板和電解質材料結構的設計，假定上述兩種結構都是多孔型滲透類型，利用Stokes-Brinkman方程和Navier-Stockes方程相耦合的方法對多孔介質間的邊界連接情形進行描述。

圖3(a)為0.85 V時，燃料由圖中左端向右端流動過程中，陽極氣體通道和極板內部氫氣(含少量其他物質)的質量分布情況，圖3(b)為0.85 V時，空氣由圖中右端向左端流動過程中，陰極氣體通道和極板內部氧氣(含少量其他物質)的質量分布情況。

圖3 陽極、陰極氣體分布情況

在模擬仿真過程中使用了Maxwell-Stefan改進模型，相對于傳統的Fick第一、第二理論更加詳細地描述了氣體傳質過程，這樣更易于獲取更準確的極化損失電壓量與燃料流量分布的關系，通過對結果的分析為控制器的設計提供達到燃料最佳利用率的參考數據。氣體通道尺寸、電解質層的孔隙率對氣體擴散效果、降低濃度過電勢等具有重要影響。

形成電流的原因是兩極之間的電荷為了保持動態平衡而發生的定向移動，本文研究的主要內容是電流分布。在對實驗結果進行分析后，可知在電池工作啟動時會有一個電壓降或過電勢的過程，輸出功率同樣會有這樣一個過程，造成這種現象的主要因素是極化，包括濃差極化、歐姆損失、活化極化等。這幾種極化與電流密度分布、電池物理結構、制備材料等密切相關，本文中主要觀察電流分布是因為電流密度分布、電池物理結構等會對上述極化產生重要影響。

由圖4可知，電池的平均輸出功率與電流密度的關系呈拋物線的形式，電流密度不斷增大的過程中，平均輸出功率先增大后減小，因此，電流密度增大到能產生輸出功率最大值時，增大電流密度的方式對電池的輸出功率不會再起作用。

圖4 電流密度與單電池功率輸出曲線

4 結論

電池兩極間氣體質量都是不均勻分布的，為了更加詳細正確地反映出電池內部的傳質過程，本文采用Maxwell-Stefan改進模型、Stokes-Brinkman方程相耦合方式描述通道與極板、極板與電解質邊緣的質量分布。在電池結構設計、材料制備的過程中可以以該分布狀態與壓力值分布狀態作為可靠依據。由于本文在一些條件中采用了相關假設，所以在本文基礎上還可以進一步深入研究。

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[5]鄭舒，賈豐春.鉛酸蓄電池存在的問題及其解決辦法[J].電源技術，2013(7)：1271-1274.

COMSOL simulation of dynamic performance of oxide fuel cell

CHENG Long-quan1,WEI Jin-min2,ZHAO Kai3
(1.Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology,Panzhihua Sichuan 617000,China;2.College of Information and Electrical Engineering,Panzhihua University,Panzhihua Sichuan 617000,China;3.Panzhihua Senweige Solar Technology Co.,Ltd.,Panzhihua Sichuan 617000,China)

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)09-1299-02

2017-02-11

四川省重點學科建設項目(SZD1501-09-1)

程龍泉(1964—)，男，貴州省人，副教授，主要研究方向為計算機控制。