微尺度学在微型燃料电池数学模型中应用

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1、微尺度学在微型燃料电池数学模型中的应用本文由最爱奶茶123贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。2118?系统仿真学报JOURNALOFSYSTEMSIMULATIONVol.17No.9Sept.2005微尺度学在微型燃料电池数学模型中的应用黄摘强，朱新坚，曹广益200030)(上海交通大学电信学院自动化系燃料电池研究所，上海要：以微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC)为研究对象，结合传统燃料电池的数学理论，运用微尺度流体学，建立了电池的数学模型。该模型根据动量守恒、质量守恒以及电化学、微/纳米尺度流体学，分析了微

2、通道特性对电池性能的影响。通过仿真曲线与已公开的实验结果地比较，验证了模型的准确性。关键词：微型燃料电池；数学模型；微通道;微尺度文章编号：1004-731X(2005)09-2118-05中图分类号：TP183文献标识码：AMicroFluidicsandItsApplicationsinMathematicalModelofMicroProtonExchangeMembraneFuelCellsHUANGQiang,ZHUXin-jian,CAOGuang-yi(InstituteofFuelCell,AutomationDepartment,ShanghaiJ

3、iaotongUniversity,Shanghai200030，China)Abstract:AmathematicalmodelofμPEMFCwasintroducedaccordingtothetraditionalfuelcells’theoriesandthemicrofluids.Withmomentumconservation,massconservation,electrochemistryandmicro/nanofluids,theeffectsontheperformancesofmicrofuelcellswereanalyzedasreg

4、ardwithdifferentcrosssectionmicrochannels.Themodelprovestobesatisfiedbycomparingtheresultsofthesimulationtotheopenedexperimentaldata.Keywords:microfuelcell;mathematicalmodel;microchannels;microscale引言.数学模型作为研究燃料电池的一种重要方法，通过分析成本低等优点，成为近期国内外竞相研发的一种微型电源。Bernardi于较早时期应用Nernst-Plack方程、Schog

5、l方程、Bulter-Volmer方程和Stefan-Maxwell方程建立了PEMFC一维模型[2]，仅考虑气相传递过程，得到了保持电池水平衡的最佳工作条件。后来，美国LosAlamos国家实验室的Springer[3]、Nguyen和Yi、Fuller以及Dutta等人展做出了杰出的贡献。但近来，人们通过实验发现，微电子机械系统中的流体力学行为与其对应的宏观规律并不相同，对这些小器件操作和制造过程中所涉及的非经典物理问题远未获得应有的认识[5]。如Wu和Little[6]等人的研究表明，气体或液体流经微通道时，会表现出与传统气道不同的特性。他们在非常精细的槽道（

6、宽为130~200μm，深30~60μm）内，测试涵盖了层流和湍流的情况，发现其摩擦因子是Reynolds数的函数，乘积(f·Re)值取决于槽道表面的粗糙度，且最高可达118，远大于传统流道下对应的层流值64，而且流体从层流转变到湍流时的Reynolds数约为1000，这也与传统认识不同。因此在微型燃料电池数学模型地建立过程中，考虑微通道特性对电池性能的影响，具有重要的理论意义和实际指导价值。本文就是以微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC-MicroProtonExchangeMembraneFuelCells)为研究对象，结合以往的数学模型，通过微流体学的知识，初

7、步建立了μPEMFC的数学模型。[4]燃料电池内部的物质传递和反应机理，预测电池的运行情况，优化电池设计以及有效管理电池运行时产生的水和热，从而提高电池的性能。在过去的几十年里，Bernadi、Springer、Nguyen、Fuller、Yi、Dutaa等人提出了多种电池的数学模型，促进了燃料电池的发展。但这些模型由于没有考虑微通道特性对电池性能的影响，因此并不完全适用于微型燃料电池。本文在微流体学的基础上，以微型质子交换膜燃料电池(μPEMFC-MicroProtonExchangeMembraneFuelCells)为研究对象，建立了μPEMFC的数学模型