13、PEM燃料电池模型解析

PEM燃料电池模型解析

1. 多孔介质子模型

燃料电池的多孔介质由三个部分组成：
- 催化剂层：主要的燃料电池反应在此发生，产生电能。
- 气体扩散层：为反应物从通道到催化剂层提供均匀的路径。
- 微孔层：便于阴极水的排出，并促进水从阴极侧移动到阳极侧。

由于催化剂层、微孔层和气体扩散层的多孔性质，在燃料电池通道和相应的催化剂层之间会产生扩散阻力。因此，对燃料电池多孔介质进行建模，以描述通道和催化剂层之间的反应物动态是至关重要的。

考虑将整个多孔介质组合在一个单一的控制体积中，并通过介质的有效材料特性来模拟界面现象。在阳极多孔介质中，仅求解水蒸气、氢气和液态水；在阴极多孔介质中，求解氧气、水蒸气和液态水。所有气体都被视为理想气体，气体混合物被假定为稀、等压且理想的，并且在计算反应物动态时忽略重力的影响。

1.1 水蒸气密度动态

阳极和阴极多孔介质中的水蒸气动态通过求解方程(6.3)获得。由于燃料电池具有平行通道，水蒸气传输以扩散为主，扩散因子计算如下：
[Def f_{H_2O,e}\nabla\cdot \rho_v]

水蒸气在多孔介质和通道体积之间存在扩散，主要的扩散机制是水蒸气分子之间的碰撞，即二元扩散，二元扩散系数(D_B)计算如下：
[D_B = D_{B_{ref}}\left(\frac{T}{T_{ref}}\right)^{1.75}\left(\frac{P_{ref}}{P}\right)]
其中(D_{B_{ref}})是参考温度(T_{ref})和压力(P_{ref})下的二元扩散系数。

由于微孔层和催化剂层的孔