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通过单位“mbar·l/s”来简单认识燃料电池电堆的气密测试

6天前浏览16

第一次看见“mbar·l/s”有点懵,只知道是气密测试的泄漏率单位。

然后我就去查了一下,接下来就简单分享一下。

先举个简单例子,如果说水龙头滴水,那么在给定时间h内滴出l升水,水龙头的泄漏率仅仅用 l/h(升/小时)表示就可以了,因为水是不可压缩的。

但是气体不行,气体是可以压缩的,就不能像水一样那么简单的表示。

通过气体的理想状态方程可知,温度不变的情况下,体积与压力的乘积是定量。

PV=nRT

再举个例子,如果容器内有1升气体,且当前压力为 10 bars。如果这些气体通过容器壁上的一个漏洞向外泄漏,那么在正常大气压下(即 1 bar ),漏出气体的体积就会是10升,严格来讲应该是9升,还有1升留在容器内。

所以,气体的量可以表达为压力与体积的乘积,漏前后的乘积差值

再除以时间s,就可以得到气体的泄漏率,就是一开始提到的单位mbar·l/s。  

注意这个地方要注意两个小问题点:

1.容器的压力是表显压力还是绝对压力?

绝对压力=表显压力+大气压力,所以这里的10bars是绝对压力。  

2.气体的泄漏率的大小是越来越小吗?

气体压力是导致气体泄漏的驱动源,容器体积不变的情况下,压力在不断降低,所以泄漏率也会变小,直到压力差为0,泄漏率就为0,即泄漏率是一个平均值。  

2-1.借着问题2,我们扩展一下思路,如果是气球泄漏的话,泄漏率会不会是个恒定值?

我只能说不一定,有兴趣的可以去研究一下。

虽说泄漏率的单位是mbar·l/s,实际测试中,燃料电池电堆的气密测试结果用的仅仅是压力值,即用保压的方法,在单位时间内,看看压降是多少。  

之所以可以这么用,就是因为电堆内腔体积是不变的,变的只有压力。

下一话题,

我最近在学习流体仿真软件STAR-CCM+,我发现一个值得稍微讨论的小问题,个人觉得挺有意思的。


讨论背景(节选于分享的电子书):

1.流体流过壁面时,紧贴壁面的位置会形成层流底层,流体在该处的流速很低(几乎可看作为0),故此处流体与壁面进行的是导热过程;在层流之外的区域,热传递方式主要是对流传热过程。  

2.通常情况下,流体与壁面之间的对流换热可用下式表达:

Q=h(T1-T2)

我思考的问题是,既然流体与壁面先是导热,然后才是对流换热,为什么可以直接用公Q=(T1-T2)来计算流体与壁面之间的换热,是因为导热可以忽律不计,还是无法确认导热与对流换热的边界,或是导热发生的很快,导热与对流换热之间的温度梯度很快变为0?  

说简单点,我认为导热和对流不一样,所以当它俩混在一起时,计算就应该分开计算。

就这个问题及我的想法,我请教了一下我的学弟---力学在读博士,他通过公式的演变,给我的解释是,导热与对流在本质上是一致的。  

经过思考,我赞同这个观点。

首先,我反思了一下,我为什么会思考这样的问题,就是一开始,我从字面意思上就认为导热与对流是不一样的,说简单点就是看待问题太表象了。

其次,我再想,怎么去理解导热与对流在本质上是一样的,既然壁面处的流体速度为0,那么就可以理解:导热是静态物体间的传热,跟物体形态无关,对流就是动态物体间的传热,也跟物体形态无关。静态与动态的差别就是,静态时,物体间的温差是在逐渐变小的,此时的温差减小是一方增大,一方减小,互相靠近,直到温度平衡;动态时,物体间的温差也是减小的,但此时的温差减小是一方不变,一方减小,直到减小一方的温度等于不变方的温度。  

举个小例子,煮完的鸡蛋放在盛满水的碗里,假设水与外界绝热,鸡蛋的温度是70℃,水是10℃,最终可能鸡蛋只能被冷却到20℃,这时的水也是20℃;用10℃流动的水去冲刷70℃的鸡蛋时,鸡蛋会被冷却到10℃,流动水的温度不会变。其实本质上都是鸡蛋与水的导热。  

所以,我理解的是对流是一种特殊的导热

这次的学习记录就写到这,难免会有差错,仅供参考。

来源:闲村野夫
Star-CCM+燃料电池电子
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:2024-12-12
最近编辑:6天前
闲村野夫
硕士 | 研发工程师 因为懂得,所以慈悲。
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我所理解的氢燃料电池(第三章:B-V方程)

3-6电流与电压的关系:巴特勒-福尔摩(Buter-Volmer)方程---B-V方程将方程式(3-15)和(3-16)代入到方程式(3-12),可得电流密度为i=nF『(k0,fCOexp(-αRFE/RT)-k0,bCRexp(αOFE/RT)』(3-17)在平衡状态时,净电流为0,平衡电位为Er,则交换电流密度i0为i0=nF(k0,fCOexp(-αRFEr/RT)=nFk0,bCRexp(αOFEr/RT)(3-18)再结合方程式(3-17)和(3-18),可以得到电流密度与电压之间的关系式为i=i0{exp[-αRF(E-Er)/RT]-exp[αOF(E-Er)/RT]}(3-19)方程式(3-19)就是B-V方程,其中E为电极电位,Er为平衡电位。在平衡状态下,电极电位E等于平衡电位Er,电路电流为零,当电极电位E与平衡电位Er存在差值时,电路电流就不为零,此差值称为过电位,通过B-V方程就可以得出一个结论,就是过电位是产生电流的原因。通常我们在说一座山高度的时候,一般都会说海拔高度多少,这里的海拔就是以海平面为基准的,也就是说山的高度是相对海平来说的。同样,在说到电极电势的时候,指的是两个电极间的电动势,同样存在一个基准,采用标准氢电极作为标准电极,并规定标准氢电极的电极电势为零。B-V方程同样适用于氢燃料电池的阳极和阴极反应,ia=i0,a{exp[-αRF(Ea-Er)/RT]-exp[αOF(Ea-Er)/RT]}(3-20)ic=i0,c{exp[-αRF(Ec-Er)/RT]-exp[αOF(Ec-Er)/RT]}(3-21)氢燃料电池的阳极过电位为正,因为阳极是失去电子,电性越正,根据图3-3所示,方程式(3-20)右边的第一项随着△E越大而越小,第二项却相反,此时氧化电流占主导地位,所以方程式(3-20)可以简化为ia=-i0,aexp[αOF(Ea-Er)/RT](3-22)这里需要注意的一点是电流是负的,因为是氧化电流占主导,电子是离开电极的。氢燃料电池的阴极过电位为负,因为是得到电子,电性越负,根据图3-3所示,同理简化方程式(3-21)为ic=i0,cexp[-αRF(Ec-Er)/RT](3-23)图3-3图示B-V方程通过图3-3,可以看出净电流随着过电位的增加而增加,这也是B-V方程的意义。另外,氢燃料电池的阳极交换电流密度i0,a要比阴极的交换电流密度大很多,根据B-V方程可知,阴极的过电位要远大于阳极的过电位,所以氢燃料电池的电位与电流关系式通常由方程式(3-23)来表示。另外,从B-V方程可以得出,交换电流密度大的时候,一个较小的过电位(△E)就可以产生一个较大的电流,从另一个角度来来看,电流相同时,就是交换电流密度大的时候,过电位就小,可以理解为交换电流密度大,电极就越难被极化,可逆就越容易。所以,在氢燃料电池中,主要考虑的就是阴极的极化,就是因为阳极的电流密度要远大于阴极,从而造成阳极被极化度要远小于阴极。3-6-1塔菲尔方程(Tafel)在氢燃料电池中,更多的是关注高电位下的电流与电压之间的关系,即高电位下的极化曲线。根据图3-3所示,高电位时的B-V方程(3-19)就是类似简化方程(3-22)和(3-23),即I=ia或I=ic。对方程式(3-22)和(3-23)的两侧同时取对数,设a=-(RT/αF)lni0,b=RT/αF,可得△E=a+blog|I|(3-24)△E=a+blogI(3-25)方程式(3-24)和(3-25)被称为塔菲尔方程,其中b为塔菲尔斜率。通过塔菲尔方程可知,在电极极化较大的情况下,即过电位较大,过电位与电流密度的对数成正比例关系。虽然塔菲尔方程式以B-V方程为基础推导出来的,但是塔菲尔方程初期是通过实验测试确定的。当过电位较小时,塔菲尔方程就不适用了,这时候B-V方程可以简化为I=i0△EF/RT(3-26)此时,电流密度与过电位大小成正比。持续更新中......来源:闲村野夫

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