松下公司利用仿真技术让燃料电池照亮温馨的家

松下公司利用仿真技术让燃料电池照亮温馨的家

家用燃料电池热电联产系统是一种新的发电和供热方式。这种系统可以在单独住户的家中安装,并利用氢与氧之间的电化学反应产生电能。从本质上说,它就是一种环保型家用发电厂。所需的氢气可从住户天然气管道(如果有)中获取;氧气则由环境中的空气提供。即便在所需电力输出较低的情况下,这种系统也能够高效地产生电能,并且有望提高节能效果并降低CO2排放量。

松下公司正在研发一套名为Ene-Farm的家用燃料电池热电联产系统。公司亟需在广泛部署之前克服系统成本和可靠性方面的难题。为降低成本,工程师需要更充分地了解氢离子是如何流经膜电极组件(MEA)中的薄膜,MEA正是高分子电解质膜燃料电池(PEMFC)的核心部分。松下工程团队使用ANSYS仿真软件以及公司内部研发的软件,针对不同材料和燃料电池的MEA进行建模。仿真技术帮助该团队大幅降低了Ene-Farm的直接材料成本,同时提高效率并提升商业潜力。
本质上它就是一种环保型家用发电厂。
在MEA中,氢原子经过阳极材料层时在电池的阳极释放电子,然后质子到达催化材料层。电子回到阳极电流集电体,并通过负载电路到达阴极(空气)侧,从而产生电能。然后,其余的氢离子穿过高分子电解质膜,并与阴极侧的电子和氧气发生反应,产生水蒸气,即燃料电池反应的最终产物


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尽管这些反应相对简单,但是穿过 MEA不同层的粒子(原子、离子)传输性质十分复杂,它们之间必须保持良好的平衡,从而实现PEMFC的性能最大化。

在广泛部署之前,松下公司需要克服系统成本与可靠性方面的难题。

1、研发准确的气体扩散模型

要对穿过薄膜的扩散情况进行仿真,就需要采用一种能解决宏观尺度和微尺度效应的方法,从而实现优化。具有完整多分量扩散分析功能的ANSYS Fluent燃料电池与电解作用附加模型可用于宏观仿真。对于微尺度建模,有几种方法可供选择。松下的工程师决定研发一种名为多分量Lattice Boltzmann的方法(MC-LBM)以支持多分量气体扩散。在通过与实验结果进行对比来验证微尺度模型之后,该团队使用用户自定义功能(UDF)对ANSYS Fluent燃料电池和电解模型进行修改,并纳入了MC-LBM方法。

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燃料电池如何产生能量
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PEMFC原理图显示了包含膜电极组件(MEA)的不同层
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利用约1厘米的宏观流道将ANSYS Fluent的结果与采用内部仿真工具的多分量Lattice Boltzmann法(MC-LBM)仿真进行对比
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实验与仿真结果用于验证电池性能的预测精确度

气体扩散模型中的一个重要参数是用于描述多孔材料渗透度的渗透系数。松下公司的工程师使用微尺度模型计算出各种膜材料的渗透系数,并将这些值作为CFD模型的输入。通过这种方式,他们为燃料电池的每一层创建了有效的模型,从而能够准确预测整体性能。除多孔材料的渗透系数之外,这些模型还包含其他参数,例如有效导电率、有效热导率和有效扩散系数。尽管工程师对所有这些参数值进行了计算,但这里将重点介绍使用Fluent和MC-LBM确定多孔材料有效扩散系数的过程,这是由于该系数对PEMFC的性能极为重要。

对燃料电池进行快速、高效且准确的建模最终将降低生产成本,并促进家用燃料电池热电联产系统更广泛的普及应用。

2、确定有效扩散系数
为了计算多孔材料的系数,松下公司的工程师创建了一个流域模型,其中,材料夹在两个流道之间,每侧有不同气体流入。他们利用内部研发的微尺度算法执行仿真,以计算每种气体在通道出口的摩尔分数值。

接下来,工程师使用具有完整多分量扩散的燃料电池和电解模型。针对每个材料层,该团队都会设定多孔材料部分的均质(体)扩散系数,并将该系数作为变量来计算该层的有效扩散系数值。团队在CFD软件中改变体扩散系数值,直到每种气体的摩尔分数与公司内部进行的微尺度仿真的结果相匹配。计算得到的有效扩散系数值大约是体材料扩散系数的10%至80%。在PEMFC仿真中,所采用模型的有效扩散系数通常与孔隙率成正比,并且系数值大概是体材料的60%至80%。然而,这些计算结果表明,仅针对与孔隙率成正比的有效扩散系数进行建模是不够的。

最后,通过使用UDF,松下公司的团队在燃料电池和电解模型中应用了内部研发的微尺度MC-LBM算法,以便为PEMFC的每一层创建改进后的仿真。他们利用直接流道在特定条件下检查电池的电压特性,以验证准确度。


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透过性试验机测量和MC-LBM计算得到的渗透系数结果

3、预测电池的电压特性
为完成该研究,团队对燃料电池在两种氧气利用率(Uo)条件下(65℃和35℃的潮湿露点温度)的电池电压特性进行了预测。氧气利用率即可用于发电的氧气的百分比。较低的氧气利用率说明需要提供更大的氧气量,反之亦然。工程师通过变更利用率值,可以改变燃料电池中的氧浓度,从而能够对电池电压的升降情况进行预测。工程师可通过试验方法获得特定氧气利用率条件下的PEMFC电压特性,并与仿真结果进行比较,从而间接验证了是否对燃料电池中发生的气体扩散进行了精确建模。就氧气利用率与潮湿露点的相关性而言,Fluent预测结果与试验结果非常吻合。

通过采用高度精确的仿真软件,松下公司能够更加准确地预测PEMFC的特性。这对于提高燃料电池堆的研发效率大有帮助。对燃料电池进行快速、高效且准确的建模最终将降低生产成本,并促进家用燃料电池热电联产系统更广泛的普及应用。

4、燃料电池设计解决方案
对于燃料电池这一可再生能源技术,研发人员正专注于运输、固定发电、物料搬运机械和其他分布式供电等应用,他们必须改进燃料电池系统及部件的可靠性、性能和耐用性。燃料电池工作时需要不断使用燃料源(通常是氢),而且对于很多类型的燃料电池来说,燃料都可在现场进行改良处理以供使用。燃料电池不含移动部件,而且产生的排放量(包括产生氢气的碳氢化合物转换过程)低于化石类燃料源。

用于固定发电的燃料电池研发已取得了长足的进步,因为相比于其他燃料电池应用,例如用于汽车行业的燃料电池,固定发电燃料电池的物流和基础设施需求更加简单。然而,这两个行业都需要持续创新和不断改进,以扩大固定发电技术的成就,并促进该技术在运输行业中获得更广泛的认可。

研发与设计的重点之一在于燃料电池膜。ANSYS不断研发新的解决方案,用于对固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜(PEM)等研究对象进行建模。对于PEM燃料电池,重点在于研发可独立求解催化层和膜的完整3D模型,而不是将膜电极组件(MEA)假定为一个无限薄的平面。对MEA中的3D效果进行求解的功能有助于工程师更好地理解关键参数的空间变化。运用这一信息,工程师能够合理选择材料、确定不同燃料的性能、有效管理水和水蒸气,求解质量传递和相位变化的效果,以及确定温度变化对交换电流密度的影响。

其他重点研发领域还包括单独的化学模型,以及将化学、电化学和流体力学相结合的功能,从而有助于工程师理解相互作用如何影响整个燃料电池。这种功能对SOFC系统的研发人员尤其关键,可用于辅助电源设备以及面向数据中心或分布式电力应用的发电设计。ANSYS解决方案可用于研究单独组件或整体燃料电池堆,帮助优化燃料电池设计,改善电阻性能,以及设计整体电源系统。

——Ahmad Haidari,ANSYS能源行业市场营销总监