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21世紀(jì)以來(lái)人們對(duì)不可再生能源的使用量日益提升，加重了我國(guó)能源儲(chǔ)備的問(wèn)題。所以，能源體系的供應(yīng)應(yīng)做出調(diào)整，加速對(duì)清潔能源的開發(fā)與利用、對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用成為解決能源問(wèn)題的方案。質(zhì)子交換膜燃料電池作為以氫燃料為主的電池，具有高轉(zhuǎn)換效率、低環(huán)境污染的特性，成為科研人員關(guān)注的對(duì)象。 質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部構(gòu)建上相對(duì)復(fù)雜、規(guī)格尺度也比較小，使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法很難針對(duì)某一部位的改進(jìn)或是對(duì)內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化所產(chǎn)生的影響進(jìn)行測(cè)量。為了加深對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池機(jī)理的研究、提升質(zhì)子交換膜燃料電池的性能，通過(guò)數(shù)值模擬的方法可以建立數(shù)學(xué)模型模擬電池在運(yùn)作過(guò)程中的內(nèi)在現(xiàn)象。數(shù)值模擬的方法目前廣泛的應(yīng)用于電池的研究之中，隨著數(shù)值模擬方法的不斷完善，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析或者與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比提供理論依據(jù)，做到與實(shí)驗(yàn)相輔相成的目的，此外，還可以做到大幅度縮短實(shí)驗(yàn)周期、減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用支出。因此，在漢斯出版社《電力與能源進(jìn)展》期刊中，有學(xué)者主要對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池在數(shù)值模擬方面的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。 與鋰離子電池模擬不同，質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)值模擬多著重于仿真模擬，常用軟件之一便是COMSOL軟件，該軟件是一款可以進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合的仿真軟件。數(shù)值模擬軟件的使用可以幫助解決復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的多變性，并使物理場(chǎng)耦合，得到更符合實(shí)際情況的數(shù)值模擬研究結(jié)果。 除了COMSOL軟件外，還有諸多相關(guān)軟件可以開展質(zhì)子交換膜燃料電池的計(jì)算模擬研究工作。有學(xué)者將質(zhì)子交換膜電池在車中的應(yīng)用進(jìn)行了模擬，其使用的是Matlab環(huán)境。建立了一個(gè)三維的直流道的模型，針對(duì)負(fù)載工況，充分考慮電池體的溫度，分析了電池從啟動(dòng)階段到負(fù)載階段的響應(yīng)。某學(xué)者基于FLUENT模擬方法，對(duì)電池的單體工作進(jìn)行模擬，分析了工作電壓差異和燃料氣體的流法對(duì)水生成的分布及整個(gè)電池工作性能的影響。此外，作者還對(duì)不同形狀流道對(duì)電池工作的影響進(jìn)行了模擬，對(duì)電池的設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。 對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池來(lái)說(shuō)可進(jìn)行的模擬手段非常豐富，對(duì)于不同模擬方法可以進(jìn)行綜合考慮，起到相輔相成的目的。在上述中，可以得知對(duì)于流道設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮水和氣體在電池中的分布和排出問(wèn)題，并且流道截面也對(duì)電池性能起到一定影響。對(duì)蛇形流道的內(nèi)外彎壁設(shè)計(jì)加上一定傾斜、使用交指流場(chǎng)可以對(duì)加強(qiáng)陰極純質(zhì)或是對(duì)波浪形流道的波長(zhǎng)和波幅加以改進(jìn)，都會(huì)對(duì)電池性能起到一定的提升。 由上述可見，目前對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)值模擬方法眾多，并且在很多方面均開展了研究工作，并得到了一定的研究結(jié)果。但是，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法也存在著諸多的問(wèn)題，比如不論是利用COMSOL或是Fluent等方法仿真，都是建立在假設(shè)的情況下，并不能做到實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)。又或是對(duì)于特殊工況或者特殊情況，例如傳熱過(guò)程并沒(méi)有加以過(guò)多的考慮，使得仿真模擬還有進(jìn)一步提升的可能。對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，更多的時(shí)候是在非使用工況下考慮的，動(dòng)態(tài)模擬對(duì)于電池來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，目前對(duì)能進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的文獻(xiàn)研究存在的還不是很多。 截至目前，對(duì)于數(shù)值模擬在質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，逐漸地已經(jīng)可以揭示許多復(fù)雜物理場(chǎng)的情況下對(duì)電池性能的影響。包括現(xiàn)階段可使用的模擬方法也很豐富，甚至有學(xué)者使用多種模擬方法相結(jié)合的形式意在分析電池在工況下的性能。綜合考慮來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)需求對(duì)流道種類進(jìn)行確定，然后再對(duì)流道結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行改進(jìn)，提高擴(kuò)散層孔隙率，可以更好地提升燃料電池的性能，為電池設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)思路。 |
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