燃料电池仿真
理论：沿流道变化的氧与水
概述
燃料电池单电池性能用极化曲线就能知道，为什么还要求解流道？
极化曲线表示的是整个单电池的平均，但单电池内各处状态不同。空气从流道入口进入，前进中氧被消耗而变稀，反应生成的水逐渐增加。越接近出口氧越少，电极反应变慢，电流减小。而入口附近空气干燥，夺走膜中的水，电阻上升。增加送气量出口氧增多，但膜更干，送气压缩机的功率也增加。送多少空气（化学计量比）由这些权衡决定，研究它正是流道仿真的任务。
氧与水的收支
λ为化学计量比，3.76为空气中氮与氧之比。消耗1 mol氧生成2 mol水。入口为干空气，水全部为蒸汽。300 cm²单电池以1.0 A/cm²（300 A，0.635 V，190.5 W）运行。
出口侧电压损失与压缩机功率
b为塔费尔斜率（0.0304 V），温度80℃，压力150 kPa（绝对压力），80℃饱和水蒸气压47.4 kPa。压缩机从101.3 kPa升到150 kPa，效率0.7，比功50.8 kJ/kg。
培根的5千瓦
把燃料电池做到实用规模的先驱之一是英国的培根。他多年改进高压运行的碱性燃料电池，1959年演示了5 kW的装置。这一设计在美国得到继承，发展成为宇宙飞船电源。从实验室小单电池放大到实用装置时，如何把气体和水分配到整个单电池成为课题，这与今天的流道设计相同。
算例
例1：化学计量比与出口状态（300 cm²，1.0 A/cm²）
| 化学计量比 | 出口氧（干基） | 出口湿度 | 出口侧电压损失 | 空气流量 | 压缩机功率 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.2 | 4.2% | 94% | 0.061 V | 0.13 g/s | 6.5 W（3.4%） |
| 1.5 | 8.1% | 78% | 0.036 V | 0.16 g/s | 8.2 W（4.3%） |
| 2.0 | 11.7% | 60% | 0.022 V | 0.21 g/s | 10.9 W（5.7%） |
| 3.0 | 15.1% | 41% | 0.013 V | 0.32 g/s | 16.3 W（8.6%） |
压缩机功率比例相对单电池输出190.5 W。出口侧电压损失源于出口氧比入口21%稀薄。
化学计量比1.2时出口湿度高达94%。不会变干的话不是挺好吗？
湿度太高也危险。94%是只假设蒸汽的平均值，实际上流道壁和扩散层温度较低，水在那里凝结成液态。液态水堵塞扩散层细孔和流道时，氧无法到达，出口附近电流急剧下降（水淹）。而且化学计量比1.2时出口氧只有4.2%，出口侧电压损失达0.061 V。积水会进一步缺氧，还会使局部电位紊乱，成为损伤催化剂的原因。反之化学计量比3时膜变干电阻上升，压缩机功率也重。常用2左右，正是因为它处在这两种问题之间。实际设计中，组合入口加湿量、流道形状、冷却水温度分布，用流道仿真调整，使单电池内湿度和电流尽量均匀。
建模流程
- 把单电池极化曲线作为氧浓度和膜含水率的函数给出。
- 把流道从入口到出口分段，求解氧、水、温度收支。
- 由各处的氧和膜状态求局部电流。
- 计入凝结水量及其对氧传输的阻碍。
- 改变化学计量比、加湿、冷却，寻找扣除辅机后净输出最大的条件。
“低负荷时电压波动的电堆”
某燃料电池电堆只在低负荷时部分单电池电压波动。用流道仿真调查发现，低负荷时空气流量小、流道内流速慢，冲不走凝结水而积聚，时常堵塞流道。改为低负荷时也保持较高化学计量比并设流量下限的控制后，电压波动消失了。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 氧取入口浓度常数 | 漏掉出口性能下降 | 沿流道求解 |
| 水全部视为蒸汽 | 漏掉水淹 | 计入凝结 |
| 忽略辅机功率 | 化学计量比选得过高 | 按净输出比较 |
| 膜电阻取常数 | 漏掉干燥影响 | 按含水率函数 |
| 只评估额定负荷 | 漏掉低负荷积水 | 在整个负荷范围 |
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