Trans Tianjin Univ | PEM燃料电池实时监控快速数值模拟的可行性评估

PART01

文章信息

Abbas Ghasemi, Samaneh Shahgaldi, Xianguo Li. Feasibility Assessment of Fast Numerical Simulations for Real-Time Monitoring and Control of PEM Fuel Cells, Trans. Tianjin Univ., 2022, https://rdcu.be/cZb08

Received: 31 July 2022 / Revised: 26 September 2022 / Accepted: 19 October 2022 /

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-022-00347-6 

PART02

本文亮点

1. 开发了快速并有足够准确度的PEM燃料电池性能与工况的数值模型，并在不同相对湿度（RH）水平下进行实验验证。发现模拟情况和测量结果吻合良好，这验证了预测PEM燃料电池性能的模型准确性。

2. 降阶模型可以提供快速的性能模拟，以评估电荷/热量/质量传递现象以及水的产生和两相流传输。

3. 这种快速而准确的数值模拟评估可用于PEM燃料电池性能的实时监测、控制和性能优化。

PART03

背景及意义

质子交换膜（PEM）燃料电池作为清洁能源转换装置被高度重视。提高PEM燃料电池的性能和耐久性需要MEA部件的合理优化设计以及工作条件的正确选择和调整，在这些工作条件中，相对湿度起着重要作用，因为它直接影响催化剂层的膜水合和质子传导性。因此，实时调整每个MEA的适当相对湿度将提高燃料电池的高效耐久运行。

对于同时快速准确预测PEM燃料电池中的热/质量/电荷传输，低维模拟是首选。这对于PEM燃料电池的实时运行、控制、以及监控等特别有用。为此，本研究旨在开发快速并有足够准确度的PEM燃料电池性能与工况的数值模型，为了验证不同工作条件下的模型准确性，本实验在不同相对湿度（RH）（RH=40%、RH=70%和RH=100%）下进行，以测量电池电压（极化曲线）和功率密度。发现当前的模拟情况和测量结果吻合良好，这验证了预测PEM燃料电池性能的模型准确性。此外，发现降阶模型可以提供快速的性能模拟，以评估电荷/热量/质量传递现象以及水的产生和两相流传输。这种快速而准确的数值模拟评估可用于PEM燃料电池性能的实时监测、控制和性能优化。

PART04

图文导读

图1 不同放大倍数下（图中给出的长度标度为 a 500 µm和 b 1 µm）生成催化剂层的样品结构SEM图

图2 气体扩散层（GDL）的微孔层（MPL）的样品结构SEM图

图3  当前PEM燃料电池模型的五层计算域。阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层分别记为AGDL、ACL、PEM、CCL和CGDL

图4 由本实验（EXP）和数值模拟（Sim）得到的不同相对湿度（RH:40%、70%和100%）下的极化曲线

图5 由当前实验（EXP）和数值模拟（Sim）得到的不同相对湿度（RH:40%、70%和100%）下的功率密度

图6 不同相对湿度（RH:40%、70%和100%）下的电子传输。左（a，b，c）和右（d，e，f）列分别表示电子通量（j_e）和电子势（ϕ_e）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.15 V，增量0.05 V。垂直虚线和面板e上的标签显示了AGDL、ACL、PEM、CCL和CGDL层从左到右的电池电子传输（x=0–450 µm）

图7  不同相对湿度（相对湿度：40%、70%和100%）下的质子传输。左（a，b，c）和右（d，e，f）列分别表示质子通量（j_p）和质子势（ϕ_p）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.15 V，增量0.05 V

图8 不同相对湿度（RH:40%、70%和100%）下的氢气物种传输。左（a，b，c）和右（d，e，f）列分别表示氢摩尔流量（j_H2）和浓度（x_H2）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.15 V，增量0.05 V

图9 不同相对湿度（相对湿度：40%、70%和100%）下的氧气物传输。左（a，b，c）和右（x_H2）列分别表示氧摩尔流量（j_O2）和浓度（x_O2）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.1 5V，增量0.05

图10 不同相对湿度（相对湿度：40%、70%和100%）下的水汽输送。左（a，b，c）和右（d，e，f）列分别表示水蒸气摩尔流量（j_H2O）和浓度（x_H2O）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.15 V，增量0.05 V

图11 不同相对湿度（RH:40%、70%和100%）下离聚物中的水传输。左（a，b，c）和右（d，e，f）列分别表示离聚物中的水摩尔通量（jλ）和分数（λ）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.15 V，增量0.05 V

图12 不同相对湿度（相对湿度：40%、70%和100%）下的液态水传输。左（a，b，c）和右（d，e，f）列分别表示液态水摩尔通量（js）和孔隙分数饱和度（s）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.15 V，增量0.05 V

图13 不同相对湿度（RH:40%、70%和100%）下的传热。左（a，b，c）和右（d，e，f）列分别表示热扩散通量（j_T）和温度（T）。从红色到黑色的彩色线表示电池电压从0到1.15 V，增量0.05 V

PART05

通讯作者简介

李献国

李献国博士是滑铁卢大学机械与机电一体化工程系教授。1982年获天津大学工学学士学位，1986年和1989年分别获得美国西北大学硕士和博士学位。他的研究领域包括燃料电池、液体燃油雾化和喷雾以及绿色能源系统。发表了230多篇同行评议的期刊论文；《燃料电池原理》是世界上第一本关于燃料电池的教科书。担任《International Journal of Green Energy》和《Frontiers in Thermal Engineering》期刊的主编，以及许多期刊、丛书、百科全书和手册的编辑/顾问委员会成员。创立了国际绿色能源大会（IGEC）系列和世界燃料电池大会系列，并担任加拿大机械工程学会（CSME）技术项目副会长、国际氢能协会燃料电池分会主席和国际绿色能源协会主席。加拿大工程院院士（FCAE)、加拿大工程联合会会士（FEIC）和CSME会士。

Transactions of Tianjin University

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《天津大学学报（英文版）》是由教育部主管、天津大学主办的学术性英文期刊，被EI、Scopus等多家国际著名数据库收录。2018年改版为专业刊，重点刊登能源材料、能源化学与化工领域的原创性、创新性研究成果，包括太阳能利用、产氢与储氢、二氧化碳捕获和转化、燃料电池、电池和超级电容器、催化、煤炭和石油的清洁利用、生物燃料、能源政策等主题。本刊与Springer合作出版，在SpringerLink上全文在线，做到了快速审稿和出版。2016年入选“中国科技期刊国际影响力提升计划”，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”，2021年荣获“中国国际影响力优秀学术期刊”，2022年入选《科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告》。欢迎大家关注和投稿！

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