燃料电池堆流体分布不均匀度的估算方法.pdfVIP

主题六：PSE 和环境、能源、安全技术研究及应用 燃料电池堆流体分布不均匀度的估算方法 1,2,3 2 王红星 王宇新 1.北洋国家精馏技术工程发展有限公司， 2.天津大学化工学院 天津 300072， 3.天津大学精馏技术国家工程中心 天津 300072） 摘 要：在燃料电池堆的运行过程中，燃料或氧化剂等流体在各个单电池板上分布的不均匀性是影响其性 能的重要因素。针对流体分布均匀性的问题，本文以流体在管道中流动的压降计算式作为基本计算公式， 简化整理得出了计算电池堆中流体分布不均匀度的估算式。利用此式可以分析流体分配管道 板流道的尺 寸以及单电池个数对电池堆性能的影响。此公式可以用于燃料电池堆的设计计算。 关键词：燃料电池堆；流体分布；流体分配管道 前言 燃料电池 Fuel Cell ）是适应未来能源和环境要求的理想能源之一。但是，单燃料电 池的输出电压较低 0.5～1.0v ／单电池），在实际应用时常将多对单电池串联起来构成燃料 电池堆。在电池堆的运行过程中，电池外部供给燃料电池堆的燃料、氧化剂以及冷却剂等 都要通过各自的流体分配管道 Fluid Manifold ）分布到每一对单电池中，分布的均匀与否 将直接影响到电池堆的运行性能。 [1~7] [8~ 11] 单电池的数学模拟相对较为成熟 。目前发表的文献 多数是将通过流体分配管道 的流体作均匀分布处理，并认为各单电池相同。其中，Achenbach[8]等人针对平板型固体氧 化物燃料电池提出了三维暂态模拟，对流体流动的错流、并流与逆流进行了模拟计算，其 中的流体分配管道为外置型。Thirumalai 与White[1]在 1997 年提出了结合单电池模型、板流 道模型以及流体分配管道模型的燃料电池堆系统的模型。在假设流体分配管道中的流率变 化不大的前提下，Thirumalai 的模型中的流体分配管道模型应用了三维不可压缩流体的 Navier-Stocks 方程，边界条件由电池堆的几何形状以及单电池中的电化学反应决定。Boersma 与Sammes[11]对固体氧化物燃料电池的内置型流体分配管道进行了研究。他们将电池堆视为 一个水力学阻力网络，利用水力学阻力计算公式来考察电池堆中的流体分布。但是此模型 没有考虑流体消耗对其分布的影响。 已有的模型 算法较适用于过程模拟 对设计的检验，而用于电池堆设计则过于复杂。 本文针对流体分配管道的 式和尺寸进行了模拟计算，将电池堆视为管道流动阻力网络， 考虑了流体消耗对其分布的影响，得到了计算流体分布不均匀度的估算式。这种方法较适 用于电池堆的设计计算。 1 数学模型 数学模型的主要假设为：① 流体在分配管道 板流道中的流动均为不可压缩流体的层 [12] 流流动；② 流体的消耗速率与其通量成正比。基本计算公式如下 ： 181 主题六：PSE 和环境、能源、安全技术研究及应用 l 2 p pl K rv ( 1) 2D hc x 2 p u