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Fluent电池案例1-聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)模型

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演示在ANSYS Fluent 19.0中使用新的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)模型与水传输的关系。PEMFC模块包括一个UDF库(包含一组用户定义的函数)和一个预编译的方案库(包含图形和文本用户界面)。必须加载和激活PEMCFC模块,才能执行计算。

本案例用的几何如下图。
         
图. PEMFC燃料电池-全长
图. PEMFC燃料电池-燃料、氧化剂和冷却通道
图. PEMFC燃料电池-多孔层和膜电极组装
阳极通道入口在343.15 K下供给1.0·10-7kg/s的加湿氢气。氢气和水蒸气之间的分裂为60/40。阴极通道入口在343.15K条件下注入1.4·10-6kg/s的空气。物种质量分数组成为O2的21%,水蒸汽的5%,其余假设为N2。阴极和阳极由两个弯曲的金属板组成,每一个有100毫米长。这些板的形状允许燃料电池通过两侧的介电流体进行冷却。
厚度很小的活性电解质材料被压在阳极层和阴极层之间。在这个模拟中,阳极和阴极集流器的外壁是绝热的。燃料和氧化剂通过多孔阳极和阴极材料走向催化剂,在那里发生电化学反应。阳极侧的燃料减少:
H22H++2e-
H+离子穿过膜走向发生氧化的阴极催化剂:
O2+ 2e- → O-
2H++O-H2O
PEMFC模型用于计算整个燃料电池的电流、电压、种类、温度和电位分布。
网格如下图所示。
图.流式方向上的网格分布
图.网格应能充分捕捉到不断变化的拓扑结构
         


Fluent中设置步骤如下。 

1.将网格文件PEMFC_short_tutorial_R19.msh并复 制到工作文件夹中。
2.启动3DDP(3ddp)版本的ANSYS Fluent。
3.读取网格文件PEMFC_short_tutorial_R19.msh。
4.评估网格的几何延伸度,并检查是否需要进行任何缩放。
5.检查并显示网格。
6.要在PEMFC中可视化多个流体和固体区域,需要创建包裹流体区域的表面区域。这可以通过从下拉菜单中打开“Zone Surface”菜单、选择一个流体区域并指定新的包装区域名称来实现,如下图,Postprocessing→Surface→+Create→ Zone…。
7.PEMFC模型需要从文本-用户界面(TUI)中激活,方法是发出一个定义模型插件命令,并从可用的附加模块列表中选择数字9,如下图所示。
8.请注意,PEMFC模块的激活开启了如下图所示的能量和物种方程的解。
9.现在可以打开和启用PEMFC模型面板:
默认的欠松弛因素通常是好的,在较低和中等负荷。如果遵循PEMFC的最佳网格实践,并且存在从较低负载到较高负载场景的逐步进展,它们也可能在较高负载下很好地工作。在较高的负载下,随着燃料电池产生更多的电流,多相问题必然会变得更加明显。在这种情况下,可能需要更温和的未放松,如下所示。
10.阳极设置:
         
11.薄膜设置:
12.阴极设置:
         
13.高级设置:
一旦冷却剂建模盒启用,ANSYS Fluent创建一种新的混合材料冷却混合物,启用并使用先前定义的fc-mixture新混合物包含冷却剂作为一种物种,如下图所示.
14.报告选项卡:
“报告”选项卡用于指定从中绘制电流的电气选项卡下图。此外,还需要指定电解液的投影面积值。
15.基本边界条件.
壁面处的所有热边界条件均设为绝热状态,计算区域内所有入口的入口温度均设为343.15K的恒温状态。所有相关的物种组成和质量流量都可以很容易从case中进行评估出来。
阳极和阴极片
质量流量入口:在阳极和阴极通道入口的UDS边界条件:    
冷却液通道,包括阳极和阴极:
所有通道的压力出口
运行条件应反映运行压力的相关值
16.计算收敛性和后处理
当前FC模拟中的收敛历史示例。该模拟代表了大约50%的最大负载,它是从混合初始化开始的。
计算得到的电流密度和电压曲线如下图所示。
图.燃料电池极化曲线:实线-带水输送,虚线-未考虑液态水输送。
如前所述,建议从高压开始进行一系列的模拟,然后降低电压,从而在极化曲线上从左到右进行。下图显示了一系列模拟,没有考虑液态水的形成和运输。图显示了一个非常好的收敛行为,每250次迭代电压降低0.1伏。当电压下降,功率增加,人们可以注意到收敛成为问题。这通常是需要解释多阶段问题的关键点。
图. 显示在功率收集增量增加时燃料和氧化剂利用率增加
电流密度矢量的分布如下图所示.
质量流量统计如下。.
图:气体物质的质量流量检查
图:GDL液体清除率检查



来源:CFD饭圈
Fluent化学燃料电池UDF材料ANSYS电气
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-08
最近编辑:9天前
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