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21世紀以來人們對不可再生能源的使用量日益提升，加重了我國能源儲備的問題。所以，能源體系的供應(yīng)應(yīng)做出調(diào)整，加速對清潔能源的開發(fā)與利用、對儲能設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用成為解決能源問題的方案。質(zhì)子交換膜燃料電池作為以氫燃料為主的電池，具有高轉(zhuǎn)換效率、低環(huán)境污染的特性，成為科研人員關(guān)注的對象。 質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部構(gòu)建上相對復(fù)雜、規(guī)格尺度也比較小，使用傳統(tǒng)實驗的方法很難針對某一部位的改進或是對內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化所產(chǎn)生的影響進行測量。為了加深對質(zhì)子交換膜燃料電池機理的研究、提升質(zhì)子交換膜燃料電池的性能，通過數(shù)值模擬的方法可以建立數(shù)學(xué)模型模擬電池在運作過程中的內(nèi)在現(xiàn)象。數(shù)值模擬的方法目前廣泛的應(yīng)用于電池的研究之中，隨著數(shù)值模擬方法的不斷完善，可以對實驗現(xiàn)象進行分析或者與實際實驗結(jié)果進行對比提供理論依據(jù)，做到與實驗相輔相成的目的，此外，還可以做到大幅度縮短實驗周期、減少實驗費用支出。因此，在漢斯出版社《電力與能源進展》期刊中，有學(xué)者主要對質(zhì)子交換膜燃料電池在數(shù)值模擬方面的研究進展進行介紹。 與鋰離子電池模擬不同，質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)值模擬多著重于仿真模擬，常用軟件之一便是COMSOL軟件，該軟件是一款可以進行多物理場耦合的仿真軟件。數(shù)值模擬軟件的使用可以幫助解決復(fù)雜的實驗過程和預(yù)測實驗的多變性，并使物理場耦合，得到更符合實際情況的數(shù)值模擬研究結(jié)果。 除了COMSOL軟件外，還有諸多相關(guān)軟件可以開展質(zhì)子交換膜燃料電池的計算模擬研究工作。有學(xué)者將質(zhì)子交換膜電池在車中的應(yīng)用進行了模擬，其使用的是Matlab環(huán)境。建立了一個三維的直流道的模型，針對負載工況，充分考慮電池體的溫度，分析了電池從啟動階段到負載階段的響應(yīng)。某學(xué)者基于FLUENT模擬方法，對電池的單體工作進行模擬，分析了工作電壓差異和燃料氣體的流法對水生成的分布及整個電池工作性能的影響。此外，作者還對不同形狀流道對電池工作的影響進行了模擬，對電池的設(shè)計起到了指導(dǎo)作用。 對于質(zhì)子交換膜燃料電池來說可進行的模擬手段非常豐富，對于不同模擬方法可以進行綜合考慮，起到相輔相成的目的。在上述中，可以得知對于流道設(shè)計時需要充分考慮水和氣體在電池中的分布和排出問題，并且流道截面也對電池性能起到一定影響。對蛇形流道的內(nèi)外彎壁設(shè)計加上一定傾斜、使用交指流場可以對加強陰極純質(zhì)或是對波浪形流道的波長和波幅加以改進，都會對電池性能起到一定的提升。 由上述可見，目前對于質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)值模擬方法眾多，并且在很多方面均開展了研究工作，并得到了一定的研究結(jié)果。但是，運用數(shù)值模擬的方法也存在著諸多的問題，比如不論是利用COMSOL或是Fluent等方法仿真，都是建立在假設(shè)的情況下，并不能做到實驗的狀態(tài)。又或是對于特殊工況或者特殊情況，例如傳熱過程并沒有加以過多的考慮，使得仿真模擬還有進一步提升的可能。對于電池來說，更多的時候是在非使用工況下考慮的，動態(tài)模擬對于電池來說是至關(guān)重要的，目前對能進行自主學(xué)習(xí)的文獻研究存在的還不是很多。 截至目前，對于數(shù)值模擬在質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，逐漸地已經(jīng)可以揭示許多復(fù)雜物理場的情況下對電池性能的影響。包括現(xiàn)階段可使用的模擬方法也很豐富，甚至有學(xué)者使用多種模擬方法相結(jié)合的形式意在分析電池在工況下的性能。綜合考慮來說，應(yīng)根據(jù)需求對流道種類進行確定，然后再對流道結(jié)構(gòu)、尺寸進行改進，提高擴散層孔隙率，可以更好地提升燃料電池的性能，為電池設(shè)計提供了指導(dǎo)思路。 |
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