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“COMSOL多物理場耦合仿真技術(shù)與應(yīng)用-燃料電池”COMSOL仿真基礎(chǔ) 1、COMSOL軟件基本操作1.1創(chuàng)建模型一般步驟1.2幾何創(chuàng)建方法1.3 網(wǎng)格劃分技巧1.4 方程及邊界設(shè)置2、后處理2.1 數(shù)據(jù)集創(chuàng)建2.2 衍生量的計算2.3 結(jié)果圖的繪制實例操作：肋片散熱模型，化整為零式網(wǎng)格劃分模型COMSOL燃料電池仿真技術(shù)詳解 3、燃料電池仿真

其中氫燃料電池以效率高、噪聲小以及零排放,受到廣泛關(guān)注與研究。我國已經(jīng)開展了燃料電池相關(guān)研究,在基本性能方面與國際先進水平的差距不大,但在關(guān)鍵材料及工藝、關(guān)鍵零部件、整車集成以及耐久性等方面,仍有明顯差距。 空壓機為燃料電池系統(tǒng)提供壓縮空氣。常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。其中離心空壓機具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高等特點,比較適合燃料電池。

在國家政策的推進以及新能源技術(shù)的發(fā)展下，燃料電池在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越成熟。前面兩期技術(shù)貼，詳細介紹了AVL三維仿真分析軟件FIRE可以方便、高效地對燃料電池的性能、膜電極材料選型、水熱管理以及燃料電池老化進行仿真分析，為燃料電池的設(shè)計和優(yōu)化提供可靠、有效的指導(dǎo)。

采用二次電池、超級電容器等儲能裝置與燃料電池構(gòu)建電- 電混合動力，既可減小燃料電池輸出功率變化速率，又可以避免燃料電池載荷的大幅度波動。這樣使燃料電池在相對穩(wěn)定工況下工作，避免了加載瞬間由于空氣饑餓引起的電壓波動，減緩由于運行過程中的頻繁變載引起的電位掃描導(dǎo)致的催化劑的加速衰減。

另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，當(dāng)樣氣中的氧進入燃料電池后，將獲取電子轉(zhuǎn)換成離子態(tài)，再通過電解質(zhì)的傳遞最終與陽極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)物之一是樣氣中的氧，另一反應(yīng)物是存儲在電池中的陽極，綜合反應(yīng)是樣氣中的氧分子和陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成陽極材料的氧化物。這種反應(yīng)類似于燃料電池的反應(yīng)機理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。

燃料電池溫度分布關(guān)鍵參數(shù)建模①數(shù)據(jù)集介紹：某TOP高校提供的SOFC單體仿真數(shù)據(jù)集，含有6維輸入變量（電池電壓、空氣和燃料入口溫度、燃料質(zhì)量流量等）和4維與溫度相關(guān)的輸出變量（平均電流密度、空氣壓降和最高溫度位置等），目標(biāo)是建立輸入輸出變量之間的映射關(guān)系，以快速評估燃料電池在不同工作條件下的溫度分布。

質(zhì)子膜燃料電池 燃料電池部分的功能更新主要針對質(zhì)子膜燃料電池，覆蓋多個方面： 流體分析功能 燃料電堆化學(xué)反應(yīng)模型 泵/壓縮機模型 換熱器模型 典型壓降模型 (管路、閥等) 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)求解器 瞬態(tài)仿真的控制模型

離心式壓縮機在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，隨著燃料電池系統(tǒng)對空氣供應(yīng)系統(tǒng)性能要求的提高，離心式空壓機與渦輪機匹配工作勢必將成為燃料電池用空壓機未來發(fā)展的主要趨勢。

模擬過程中為了真實反映電池運行工況的邊界條件，假設(shè)氣體入口為層流，溫度設(shè)置為 800 ℃，陽極側(cè)流道入口的氣體平均速度為 0.4 m/s，在陰極側(cè)流道入口的平均速度為 1 m/s；氣體出口邊界條件設(shè)置為 1 個大氣壓[17]；定義陽極側(cè)金屬連接體的上表面接地，而陰極側(cè)金屬連接體的下表面為電池電壓；有限元仿真結(jié)果設(shè)定在電池電壓 0.7 V[18]下確定的。

與燃油車相比較，氫燃料電池汽車具備：1.零排放：尾氣排放僅為水蒸氣，完全無二氧化碳和其他有害物質(zhì)的排放，可以大幅降低對環(huán)境造成的危害；2.高能效：能源轉(zhuǎn)換效率更高，能源利用率更加高效，單就燃料電池電堆而言效率理論值可達83%，整個燃料電池系統(tǒng)而言，最高效率也可以達到將近60%；與動力電池純電動汽車相比，具有充電時間較短、長續(xù)航里程的優(yōu)點，氫燃料電池汽車的續(xù)航里程平均可達到400-500公里以上，而處于全球技術(shù)領(lǐng)先的豐田

通過仿真得到的電機額定工況下不同散熱方式時的溫度分布如圖7所示。由圖7可以看到，相同電機工況下，油冷方式下的電機最高溫度比水冷降低了30.3 ℃。圖7 電機水冷與油冷溫度分布示意圖進一步地，在實際電機設(shè)計時，往往會根據(jù)材料特性設(shè)置一個散熱的邊界條件，如C 級繞組穩(wěn)態(tài)工作最高溫度≤155 ℃。在此條件下對電機在相同散熱要求下進行仿真，結(jié)果見圖8。

直播內(nèi)容：介紹Amesim 軟件在綠氫制備，加氫站，氫燃料電池系統(tǒng)仿真成功經(jīng)驗，涵蓋架構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，關(guān)鍵部件選型匹配,整機系統(tǒng)控制等工業(yè)應(yīng)用。

獨傲于中國整車性能仿真工具市場的AVL CRUISE軟件在燃料電池車的建模方面也有獨門絕技，為用戶提供了專門的燃料電池模塊以及根據(jù)試驗數(shù)據(jù)自動擬合模型參數(shù)的向?qū)Чぞ撸梢苑浅７奖愕剡M行燃料電池車的建模分析。本文將依據(jù)實例對CRUISE軟件在燃料電池車輛開發(fā)中的應(yīng)用進行介紹。?

基于開發(fā)的熱模型的系統(tǒng)仿真表明，這種新型熱管理系統(tǒng)可以消除或有效削弱燃料電池堆的熱失控，這取決于填充熱峰值調(diào)節(jié)器的相變材料的量。在本研究中，在標(biāo)準(zhǔn)化的新歐洲駕駛循環(huán)中，135 秒和 250 秒的熱失控持續(xù)時間可以分別縮短為 0 秒和 105 秒以及 38 °C 夏季天氣下的全球協(xié)調(diào)輕型測試循環(huán)，后者的最高溫度可從 89 °C 降至 83 °C。

<p>本案例基于COMSOL軟件，建立了可滲透陽極空氣梓呼吸微流體燃料電池，電池由五層結(jié)構(gòu)組成，從上至下分別是：CDL-多孔擴散層、CCL-催化層、MC-電解液燃料混合液主流道、ACL-可滲透陽極和AC-陽極燃料通道，幾何模型如圖1所示。該模型燃料為醋酸鈉（HCOONa）,氧化劑為空氣，電解液為KOH，燃料和電解液濃度均為 5 mL/h。仿真結(jié)果如圖2所示。

造成氫燃料電池車用傳感器市場高度依賴進口的原因有很多，最關(guān)鍵的因素在于市場需求偏小，企業(yè)缺乏研發(fā)動力，已開發(fā)的國產(chǎn)產(chǎn)品測試又不夠。不過，隨著國內(nèi)氫燃料電池汽車規(guī)模的擴大，部分國內(nèi)企業(yè)開始嗅到商機，專門立項以加快氫燃料電池車用傳感器研發(fā)步伐。作為應(yīng)用方的氫燃料電池系統(tǒng)企業(yè)表示：“國產(chǎn)傳感器機會非常大。

本研究建立的紙基微流體燃料電池模型主要基于甲醇和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng) 過程中產(chǎn)生二氧化碳和水。反應(yīng)逸出的電子通過外部電路傳遞，從而在電路中產(chǎn)生電 流。陰極反應(yīng)釋放出大量羥基離子，形成堿性電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，有效地促進了反應(yīng)過 程，采用氫氧化鉀溶液作為燃料的支持溶液和電解質(zhì)能維持堿性反應(yīng)環(huán)境。

大氣污染的一大來源是燃油汽車的尾氣，為了減少污染，科學(xué)家們研發(fā)出了氫燃料電池車。氫燃料電池車與傳統(tǒng)燃油汽車相比有三大優(yōu)勢：1、無污染，燃料電池只會產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生的（光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等），整個循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過程。2、無噪聲，氫燃料電池運行安靜，噪聲大約只有55dB，相當(dāng)于人們正常交談的水平。

通過上述研究，可以通過表面涂層及表面合金化等表面改性手段提高不銹鋼的耐蝕性，減少表面接觸阻力，使不銹鋼陽極板滿足燃料電池的應(yīng)用。隨著燃料電池技術(shù)的成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不再局限于宇宙、國防等，而是逐漸向汽車、家庭移動、擴大小型發(fā)電站等民間領(lǐng)域。為了與鋰、超級電容器等儲能技術(shù)競爭，必須減少燃料電池的成本。對于不銹鋼雙極板的表面改性技術(shù)，如何在保證不銹鋼性能的同時控制制造工藝？

對于燃料電池系統(tǒng)來說，如果把燃料電池系統(tǒng)比作人體，電堆可以比擬為燃料電池的“心臟”，那么空壓機可以稱之為燃料電池的“肺”。同樣，燃料電池系統(tǒng)的高性能輸出需要強大的“心-肺功能”。