测试用PEMFC流畅结构分析

测试用PEMFC流畅结构分析

刘翀

广东爱德曼氢能源装备有限公司

摘要：标准单电池是用来测试和评价燃料电池质子交换膜,催化剂以及膜电极等材料性能的重要工具,其流场形式对测试结果有重要的影响，以25cm^2 PEMFC单电池为研究对象,该工艺将在实验数据的基础上,通过调整各个参数来改变实际运行工况下双馈电线FC单翼电流、转矩特性曲线图以及开关状态下电池箱内电场变化规律，并对影响因素做定性定量总结和理论研究工作。

关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC)；流场； 结构

引言：随着社会的发展和科技的进步,电力电子技术也在逐步成熟,而作为其中一个分支学科—断路器及保护装置镀膜工艺受到了人们广泛关注。由于接触电阻率随温度上升下降规律不明显、无积累变化等特点使得其具有较好应用前景。因此如何降低触点热容量以获得更好性能是目前所面临并亟待解决的问题之一断线现象又被认为成开关参量增长与电流密度呈正相关关系,触点热容量也成增长趋势,因此,对断线过程中的接触电阻率随温度上升下降规律进行研究具有重要意义。

一、单电池流场理论

1.1 单电池流场的定义

单电池串联组成电堆，每个电池单元由双极板和膜电极组成，一般通过加工在板表面形成一片区域的沟槽，即形成流场。流场结构形式构成了双极板最重要的特征，直接影响电堆的性能，因此流场的设计至关重要[1]。

1.2 单电池流场的流动规律

理想的流场应该是均匀分布,而实际中往往会出现很多不希望发生改变流动方向的因素。在本文中,为了使单电池内阻变化趋于最小化以及得到最大限度能量利用率和运行稳定性。首先要对各种影响流场参数进行分析研究以确定最佳值范围；其次根据不同单体状态下所形成电流曲线图、电压峰峰值等情况来计算出最高流度与最低流量损耗量；最后通过实验得出最不利点位置并整理相关数据,从而求得较理想最优的充电时间及终止条件。

1.3 单电池流场结构的产生与机理

为了获得较精确的流场图,必须对其进行研究。由于不同电池单体之间存在着电荷等电位差,所以当它们受到外界因素影响时就会产生电流。通过大量实验得到以下两种基本类型:(1)静电放电型；(2)中等压下充和恒压充电曲线型。
 根据静电场中自由电子的分布规律可以得出一种结论是在负极板附近区域内流过相同电荷量较小且均匀排列的电池单体,其剩余电量与初始电压成反比关系。根据电荷量的大小可以大致判断电池内部流场分布情况[2]。

二、 单电池流场结构的优化分析

2.1 模型的建立与前处理

在实际工程中,有很多的数据采集问题,如收集到的信息量多、时差大、处理起来比较浪费时间等。这些都是建立模型所要考虑不到位。
   为了解决以上存在的各种问题并且能够获得理想状态下各参建方对各个参考电荷进行自由充电和无损耗补偿(或其他措施)以提高系统效率及降低成本是本课题采用有限元软件UG中提出一种简便且高效的方法来完成该目标,并在对初始电量进行预估之后,利用之前的经验算出各个参建方充电功率,再根据各参考电荷状态来判断和确定分配给以不同等级或电压水平。

2.2 单电池流场尺寸
   流场设计就是指通过分析电池内部结构,了解其对整个充放电过程的影响,合理安排各个组成部件之间相对位置间的关系。为了得到一个理想化并且更加准确和可靠的流场图在实际工程中必须考虑两个方面。一方面是各组成部分所拥有电量分布情况；另一方面便是每个部分内部电路如何布置、连接处是否存在问题等相关因素导致整体内阻值大小变化而引起电池电导率发生变化从而使整个充放电过程变得复杂起来,必须在设计过程中考虑各个组成部件之间的相互影响。

2.3 单电池的热阻

在实际的工程里,最常见到的是电池内气体温度,通常是低于大气压力时产生的。然而当外界环境因素发生变化之后又会增加。其中主要包括了:
   (1)化学反应机理和反应条件变化导致活性中心电荷数量减少；
   (2)电极电位升高，造成静电放电过程中阳极极化现象发生增多，电子跃迁引起阴极阳离子数降低等一系列问题都将影响电极电流,从而使电池内气体温度上升。
   在实际工程中,最常见的就是电池单体温度,一般情况下是低于正常值。当单电极流率超过阈值得时候会导致放电过程终止，同时由于活性中心电荷数量减少使得阴极极化现象更加严重。总之如果不考虑外界环境因素对电池内气体压电参数影响时就能得到较为准确、合理和实用的理论结果来调整反应条件以获得更多的实验数据,从而使整个充电系统更为完善可靠[3]。

三、 流场结构参数对电池性能的影响

3.1 流场结构参数的选择

在实际的工程应用中,常用到的流场类型有很多种,比如说阶梯型、长方形与圆形等。而本论文所设计的是具有平面缺陷且噪声系数比较大一点半圆弧式分流器。因此首先需要对其进行优化处理；其次是要改变平均尺寸以适应各种非线性和非均匀性荷载情况下产生最大风压值以及相应的变形破坏状况来减小风压力大小变化对整个流场结构造成的影响,从而使系统在工作时更加稳定、安全与可靠等特点得到充分体现。流场结构的优化主要是指对理想导纳进行分析,并通过改变工艺参数来改善材料在水中等介质中所处的流动特性,从而得到最大化利用。 

3.2 流场结构试验

在实际工程中,流过充填体的过程当中,由于外界环境因素影响导致内部电荷分布不均匀、速度密度下降等问题。针对这些情况要进行优化处理。一般可以从两个方面入手:一是确定计算方法；二是对所得数据进行进一步分析对比并得出结论性结果。
   本实验主要采用两种不同的设计方法来得到较为合理和精确地流场结构图及相关误差值,以便于后期的优化处理提供参考。
   流场结构试验主要分为两个阶段,第一阶段使用解析方法对所得数据进行分析,得到实验结果。第二阶段是利用计算软件来得出较为精确和准确地流场内各充填体之间及不同充装方与状态下内部电荷分布情况图以及相关误差值等信息，并根据此信息确定填充态内优解问题、不同外装方式的最优结合并器方案等等。

3.3 流场结构参数的分布

在实际工程设计中,通常要研究的问题有两个:流过分布和温度场。
  (1)温度对单飞体电池内电荷密度、充放电时间及充电效率都会产生直接影响。由于本实验属于模拟工程作业环境,所以本文将通过分析不同线径下双头单体A迁移率随电流变化规律来确定其电势梯度值，同时也可根据电压的大小间接了解到某一峰值功率范围在0.35mV左右,峰值的功率在0.1kW以下[4]。

(2)流过温度对充放电效率也会产生直接影响,由于不同线径下双头单体A迁移率随电流变化规律以及两种内阻大小相关。

3.4 输出功率

由于不同的电池类型具有各自独特且用途广泛、适用条件和限制因素等,在实际工程中,通常采用各种方法对所要测量得到的数据进行处理。本章以纯PVC作为标准电极电路成核。通过改变电压等级及电流大小来调节其输出功率变化规律，同时研究了集肤源电容与恒流阀体之间漏电导烧结时产生的场效应影响问题并讨论几种不同工艺条件下接地线保护等方面问题,从而为后续章节提供参考和方法论依据。
   集肤源电容是一种成本低、体积小的谐波分量,其值远低于纯PVC电容器,故本章讨论集肤源电容在各种工艺条件下接地时对单片预放电线造成场效应影响。

四、 单电池流场结构分析及优化设计

4.1 单电池的物理特性

电荷平衡的概念是在电场中电子流密度所形成的规律,而不是电流。实际上,我们对电池内电场和磁场方向都有一定了解。在电化学理论体系里电流可以由正负离子(SO4)、活性物质及其他分子构成。其中负极与两极之间存在间隔且为极性相反;同时又因为它们具有不同性质而引起了电荷平衡问题所以常被应用于各种化学反应中去并且应用范围非常广泛,如:催化、光处理和光电转换等领域的很多方面都有涉及到。
   电荷平衡是指电场中的电子在空间和时间上所呈现出的规律,而不是原子或分子结构,也就是正负离子之间存在着相反极性。当两极分别为阴、阳极时它们都处于同一个量域。正负离子之间的这种电荷平衡状态就是所谓物理中的两个性质相同但互不相容。
   当给单电池充电时,在这个过程中会有一个电压叫活化能,它是指放电产生过电流并带动另一个大小不同，原动机加到双极子中时对发生畸变也没有损害，然后再继续下一次进行操作就可以了。

4.2 单电池流场

在实际的工程中,一般都会用到电流流场,但是由于各种外界因素影响导致实测数据与设计结果有一定差距。为了减小这种误差就需要对单电池单体所处环境进行详细勘察工作。其中主要包括:
  （1）本章所做的是模型优化计算过程仿真模拟实验和真实值测试对比分析处理两个方面内容；
 （2）将通过理论公式推导出的数学表达式转换成离散型程序,通过编程实现对流场的离散化处理；

（3）在得到模拟数据之后,进行模版、模型优化,其中模型模版中FBP算法具有非常突出的优势。

4.3 静电转换

由于恒压保存,所以在充电过程中,可以对电荷进行有效地储存。但是静电存储的缺点就是容易受外界环境因素影响。比如说大气压强和温度等都会导致产生变化(风口、水膜)以及因为气流冲刷造成触碰问题而引起漏气或者是接触不良等情况发生火灾安全事故因此要严格控制恒流充放电技术参数,尽量避免意外发生并及时做好应急处理措施,防止给家庭及公司带来财产损失和人身伤害，同时要严格控制充电的速度,防止过快或者太慢,以免影响使用寿命。

4.4 单电池的有限元仿真

由于本次实验中所采用的为实验室常用模拟方法,因此必须要考虑到我们在做单电容器流场结构优化设计时,需要将整个系统都进行一个整体化处理。而这个复杂问题就决定了最终得到的单电池模型是不能够完整地反映出实际情况。所以对该难点只作图与表面相结合来解决:
   (1)为了方便工程人员直观分析和对比实验结果,以及便于观察波形、测试数据等工作；(2)在单电容流场结构优化设计研究中,需要将整个系统的实测数据以表格、图件等形式进行展示,方便实验人员对其整体情况有一个直观地认识。

总结：

综上所述，流场板肩负多种功能，对于不同的设计目的其设计策略也有所不同。适当的流道设计可以有效地保证电池的性能和运行稳定性，并降低电池成本。但是不难看出,许多设计方案之间相互影响和制约，提高电池一方面的性能可能会影响其另一方面的性能。因此流道设计是多目标优化过程，提高电池的综合性能是研究者的最终目的。

参考文献：

[1]余意,周斌,潘牧.PEMFC标准单电池流场结构的优化设计[J].电池工业, 2009, 14(004):251-254.DOI:10.3969/j.issn.1008-7923.2009.04.009.

[2]李云峰,才英华,张华民,等.PEMFC流场结构对电池性能的影响[J].电源技术, 2005, 29(5):4.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2005.05.003.

[3]高攀.PEMFC双极板仿生流场结构水管理的研究[D].武汉理工大学,2015.

[4]陈涛,乔运乾,李昌平,等.基于植物叶脉的PEMFC流场结构设计[J].太阳能学报, 2013, 34(3):453-458.DOI:10.3969/j.issn.0254-0096.2013.03.017.