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制造最优化的燃料电池

作者:COMSOL公司2009.04.02阅读 5920

  自动化和其他车载应用功能都对燃料电池—它们能量的来源提出各自特殊的要求。在设计电池的时候,许多因素都要被考虑进来:电池潜能,正负极气压,相关的湿度(指的是燃料和氧化剂内的水有多少),甚至是关键部位和关键部位里面隔膜和气槽的尺寸。
  不仅是一个最佳的设计
  COMSOL Multiphysics软件已成为Galip Guvelioglu在里海大学(宾夕法尼亚州,伯利恒市)做博士研究的重要工具。在Harvey Stenger 教授的指导下www.cechina.cn,他主攻质子交换膜燃料电池(PEMFC)的优化设计研究。据他解释道,提供最佳性能的设计和操作条件主要取决于应用的领域。固定的、便携式的和运输应用都有各自不同的要求、不同的操作环境,可用的燃料和氧化剂条件也各不相同。一个PEMFC电池在固定的应用条件下,可以使用完全潮湿的燃料并受益于压力机制造的空压,因为这可提高电池的输出能量。相反的,一个燃料电池在便携式的应用条件下,如笔记本电脑或手机可在大气的环境下使用。因此,燃料的含水量和便携式电池的空气湿度受到约束。
  其他要求也随应用环境而变化。移动设备对燃料电池在运输环境的启动时间和快速反应要求
  并不及

固定环境中电池一样高。燃料电池的重量对于移动设备来说更重要,这也限制了制造电池的材料选择。这一切对于Guvelioglu意味着“COMSOL Multiphysics软件让各种空间立体结构、材料和操作环境的组合都快速并简单的显示出来,最后决定出最佳的应用设计”。
  内部一瞥
  让我们更加具体地来看看这些要求对设计的影响,首先请看图1中PEM燃料电池的内部操作。PEM电池是由它使用的电解液种类而得名,它是一种聚合物质子交换膜控制工程网版权所有,最佳的质子导体。质子交换膜被夹在两层铂金阳极催化层中间。这两层催化剂由多孔渗水的分气电极支撑,一般由碳衣制造。这整个电极组被称为膜电极组(MEA),通常它的厚度是0.5-0.8 mm。最后,MEA在两板中间,这两层板的腐蚀槽不仅作为电池输入和排出产物的运输道,还作为电流的储存层。
  在操作过程中,燃料电池持续给阳极(负电)输入气态的氢,并输入氧化剂如空气中的氧气给阴极(正电)。电极处的电气化学反应产生电流(见图1)。

质子交换膜


  图1-质子交换膜(PEM)燃料电池的两个关键因素是催化剂层和质子交换膜,前者将氢分为质子和电子,后者允许质子由正极向负极转化,同氧气和电子结合生成水。

  燃料电池,虽然和一般电池相比有相似的部分和性能,但在一些方面还是有区别。电池是能量储存设备,它最大的可用能量是由电池内部储存的化学物反应来决定的。而燃料电池控制工程网版权所有,从另一方面来说,是能量转换设备,理论上说只要对电极提供燃料和氧化剂就可以产生电能。
  燃料电池反应产生的废物是水和热量。因为燃料电池直接将化学能量转换位电能,产生最大的理论上功率是不受卡诺循环约束的。PEMFCs 一般可达到的燃料功率比普通电池高50%,并且有几大理由被应用于汽车领域。首先是由于他的高能量密度-今天他们能够很容易达到1 A/cm2。一个单独的燃料电池能产生高输出能量0.6 V,所以可以得到可用的压差,和普通电池一样,工程师将多个这样的电池串联使用。持续改进工程和材料以增加能量密度,这样一个比内部燃料发动机还小的燃料电池组产生的能量,可以供应一辆中型巴士汽车。
  为了让这项技术在商业市场领域可行,研究者仍然需要面对几项挑战。电池在输入燃料和空气时遇到杂质会十分敏感。同时工程师们必须全面降低价格。PEM燃料电池的主要成本在于那些用在产品上的材料,其中铂金电极占了50% 的两极板材料成本。
  现在研究者们在想办法降低铂金使用需求,并通过改进电池槽设计和对其他可替代材料进行实验来提高铂金的使用效率。他们也尝试在改进性能、制造方便性和操作灵活度的同时,通过提高满电池可靠性和耐用性来提高效率。
  “当我告诉我的同事,‘我可以用不到一个小时做一个模型’,他们都非常惊讶。这个秘密武器就是COMSOL Multiphysics软件。”
  COMSOL Multiphysics 软件的许多优点
  为了达到这些目标www.cechina.cn,Guvelioglu 一直在找寻最合适的气体槽大小和形状,同时也在选择合适的电池构造部件。他也在对水和热处理进行试验寻求产品可靠性的改进。
  他最主要的工具之一是COMSOL Multiphysics,选择它有许多理由。他倾向于商业CFD(计算流体力学)软件包在模型建造方面使用,或创造一个PDE 解决器来为所研究的所有应用环境做模型。大多数CFD软件包需要工作区或模型简化来得到他们的应用模型以满足要求。另外一个使用COMSOL Multiphysics软件的原因www.cechina.cn,是它可以帮助完成自定义PDEs。 “撰写我自己的PDE解决器为PEM燃料电池制造模型,就像是只需要去一趟超市,就可以发明轮子接

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