氧化物燃料电池动态性能的COMSOL模拟

程龙泉，魏金民，赵 凯

(1.四川机电职业技术学院，四川攀枝花617000；2.攀枝花学院电气信息工程学院，四川攀枝花617000；3.攀枝花市森威格太阳能科技有限责任公司，四川攀枝花617000)

氧化物燃料电池动态性能的COMSOL模拟

程龙泉1，魏金民2，赵 凯3

(1.四川机电职业技术学院，四川攀枝花617000；2.攀枝花学院电气信息工程学院，四川攀枝花617000；3.攀枝花市森威格太阳能科技有限责任公司，四川攀枝花617000)

电池的温度和气流流动的主要影响因素是热量的生成和散发，同时材料间的相互扩散也会导致电池性能的逐步降低，所以氧化物燃料电池中气流、压力、气体浓度的相互关系的描述在氧化物燃料电池的研究、开发中是非常有必要的。通过COMSOL软件建立氧化物燃料电池仿真模型模拟电池的动态性能，进一步研究电池内气相流动结构、质量平衡及能量守恒等问题。借助对电池两极内气体的浓度、质量以及压力等的观察分析，确定单电池内电流分布以及反应气体质量的实时改变情况，为氧化物燃料电池结构的优化设计和参数控制提供参考。

COMSOL；计算机模拟；氧化物燃料；动态性能

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

将碳氢化合物的化学能通过电化学反应的方式直接转化成电能的有效装置有很多类型，但是氧化物燃料由于其具有电池转化效率高、清洁无污染等特点，近年来越来越多地受到各国研究者的关注。影响电池最终输出性能的因素主要有电池的内部结构以及电化学反应的进程，通过对电池内部气流、压力、气体浓度的一系列变化的观察，借助相关的计算机软件对氧化物燃料电池电化学反应过程进行数值模拟并且加以动态性能分析，可以对电池的结构设计、操作过程进行优化，有效节约成本，得到更好的使用效果[1－2]。

COMSOL是一种区别于传统软件的流体动力学仿真计算软件，在建立仿真模型方面具有出众的表现，可以解决目前研究中的很多难题[3]。COMSOL可以和Matlab等常用的控制软件联合使用，解决了电池动态性能难以描述的问题，使得提高电池性能的研究进一步发展。本文借助COMSOL模拟氧化物燃料电池动态性能，为氧化物燃料电池结构的优化设计和参数控制提供参考。

1 工作原理与模型建立

氧化物燃料电池工作原理如图1所示，结构如图2所示。在建模之前首先进行如下假设：(1)本体由两个多孔气体扩散电极、两个通道和分散在中间的氧化钇和稳定氧化锆构成；(2)正极和负极通道中的气体流动方向为对流；(3)在电池两极通道中的燃料分别为含有少量水分的纯氢以及氧和氮。

图1 氧化物燃料电池工作原理

图2 氧化物燃料电池的结构

2 数学描述

在氧化物燃料电池使用过程中，热量、电化学系统之间关系非常密切，相互影响。燃料电池在运转过程中的热量、流量和使用温度可以利用流体动力学中的守恒定律进行计算。在这个过程中主要包括质量平衡、能量守恒、动量守恒这三个方面[4－5]。

本文中，采用在质量连续性方程基础上建立的Maxwell-Stefan扩散与对流模型，这种模型能够具体、准确地描述该传质过程。

本文中，依照仿真选取模型气体成分简单的特点，做出气流成层流状态的假设，由式(1)进行估算：

式中：Dh为水力直径；Re为雷诺数；L为气体气流长度；f由管道形状决定。为了减少计算工程的复杂程度，采用了对模型相应的反应界面直接选取计算方式。

3 动态性能仿真分析

在COMSOL软件中利用偏微分方程(PDE)建立了电池性能模型，因此可以很好地解决耦合问题。氧化物燃料电池的模拟仿真过程为：(1)氧化物燃料电池几何形状的建立；(2)将包含参数的文件信息导入软件系统，并且设定合适的边界条件；(3)在对模块进行选择后，为其设定参数；(4)网格的划分；(5)使用求解器，等待后处理。

两极间的气体通道不是均匀分布的，极板中的动态传质过程同样也是不均匀分布的。为了保证质量变化在边界上是连续且平滑过渡的，在模拟仿真中，假定入口的压力、质量为设定值时，出口位置依然是对流形式。在研究中采用Maxwell-Stefan扩散与对流模型描述这种多组件间的气体流动质量的变化。对于正极板、负极板和电解质材料结构的设计，假定上述两种结构都是多孔型渗透类型，利用Stokes-Brinkman方程和Navier-Stockes方程相耦合的方法对多孔介质间的边界连接情形进行描述。

图3(a)为0.85 V时，燃料由图中左端向右端流动过程中，阳极气体通道和极板内部氢气(含少量其他物质)的质量分布情况，图3(b)为0.85 V时，空气由图中右端向左端流动过程中，阴极气体通道和极板内部氧气(含少量其他物质)的质量分布情况。

图3 阳极、阴极气体分布情况

在模拟仿真过程中使用了Maxwell-Stefan改进模型，相对于传统的Fick第一、第二理论更加详细地描述了气体传质过程，这样更易于获取更准确的极化损失电压量与燃料流量分布的关系，通过对结果的分析为控制器的设计提供达到燃料最佳利用率的参考数据。气体通道尺寸、电解质层的孔隙率对气体扩散效果、降低浓度过电势等具有重要影响。

形成电流的原因是两极之间的电荷为了保持动态平衡而发生的定向移动，本文研究的主要内容是电流分布。在对实验结果进行分析后，可知在电池工作启动时会有一个电压降或过电势的过程，输出功率同样会有这样一个过程，造成这种现象的主要因素是极化，包括浓差极化、欧姆损失、活化极化等。这几种极化与电流密度分布、电池物理结构、制备材料等密切相关，本文中主要观察电流分布是因为电流密度分布、电池物理结构等会对上述极化产生重要影响。

由图4可知，电池的平均输出功率与电流密度的关系呈抛物线的形式，电流密度不断增大的过程中，平均输出功率先增大后减小，因此，电流密度增大到能产生输出功率最大值时，增大电流密度的方式对电池的输出功率不会再起作用。

图4 电流密度与单电池功率输出曲线

4 结论

电池两极间气体质量都是不均匀分布的，为了更加详细正确地反映出电池内部的传质过程，本文采用Maxwell-Stefan改进模型、Stokes-Brinkman方程相耦合方式描述通道与极板、极板与电解质边缘的质量分布。在电池结构设计、材料制备的过程中可以以该分布状态与压力值分布状态作为可靠依据。由于本文在一些条件中采用了相关假设，所以在本文基础上还可以进一步深入研究。

[1]邢枫，张华民，马相坤，等.液流储能电池模拟研究的进展[J].电池，2011，41：336-339.

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[5]郑舒，贾丰春.铅酸蓄电池存在的问题及其解决办法[J].电源技术，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

四川省重点学科建设项目(SZD1501-09-1)

程龙泉(1964—)，男，贵州省人，副教授，主要研究方向为计算机控制。