PEMFC電流分布對(duì)外部磁場(chǎng)影響的研究*

仲志丹，王冰雪，楊晴霞，黨國(guó)輝，李鵬輝

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）憑借其高功率、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動(dòng)、清潔等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)今新能源中的佼佼者[1]。在PEMFC工作過程中，電池內(nèi)部催化劑的活性差異及其分布均勻程度、流場(chǎng)與擴(kuò)散層的一致性會(huì)引起反應(yīng)氣體濃度和壓力分布上的差異，這些差異與電池內(nèi)部水熱分布不均、各層間接觸電阻分布不均等因素均可影響質(zhì)子交換膜兩側(cè)界面電化學(xué)反應(yīng)的分布，從而導(dǎo)致燃料電池各區(qū)域電流分布不均勻。這種電流分布不均勻性在一定程度上限制了燃料電池輸出功率，嚴(yán)重時(shí)可能致使電池內(nèi)產(chǎn)生局部反向電流、局部溫度過高、質(zhì)子交換膜穿透等問題[2]，并會(huì)極大地影響PEMFC壽命，故實(shí)時(shí)掌握電池內(nèi)部電流分布情況極為重要。關(guān)于燃料電池內(nèi)部電流分布的研究手段，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用部分膜電極組件（MEA）法、電阻網(wǎng)絡(luò)法、子電池法和分塊電極法等[3]，或使用一些儀器，如 S++Simulation公司的Current Scan Lin系列[4]。但這些檢測(cè)方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即檢測(cè)裝置有一部分位于PEMFC內(nèi)部。而由于檢測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)限制，這種接觸測(cè)量式結(jié)構(gòu)往往會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)方法適用范圍減小，甚至影響電池正常工作。

針對(duì)現(xiàn)階段檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，本文提出一種基于電磁關(guān)系簡(jiǎn)單判斷燃料電池內(nèi)部電流變化情況的方法。與其他檢測(cè)方法相比，這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新在于采用非接觸測(cè)量方式，不會(huì)對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其正常工作產(chǎn)生干擾。

1 PEMFC數(shù)學(xué)模型

PEMFC是一種將氫氣和氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其電池主要由陰極、陽極和電解質(zhì)等構(gòu)成。電池的陽極側(cè)燃料在催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)釋放出氫離子，氫離子可以透過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在陰極側(cè)發(fā)生催化還原反應(yīng)。電解質(zhì)隔開陰陽極并提供質(zhì)子遷移通道，電子通過外電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載做功，這樣就構(gòu)成了燃料電池的負(fù)載回路[5]。

在大功率PEMFC工作的過程中，燃料電池會(huì)產(chǎn)生較高的電流輸出，這就要求該工作的燃料電池具有較大的工作面積。但是在同樣的操作和工藝條件下，電池的工作性能以及電流密度分布的均勻性與其工作面積呈現(xiàn)反比，故研究其內(nèi)部電流分布就顯得極為重要。本文重點(diǎn)研究大面積PEMFC內(nèi)部電流分布的非接觸測(cè)量方法。

1.1 影響PEMFC電流分布關(guān)鍵因素

影響PEMFC電流分布因素有很多，如氣道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)物流量、壓力、溫度等因素，目前還沒有能夠詳細(xì)描述電流分布的動(dòng)態(tài)模型。本文僅以氧氣濃度為例，建立簡(jiǎn)單模型描述可能會(huì)發(fā)生的電流密度不均勻性分布，然后利用檢測(cè)外部磁場(chǎng)的方案來判斷電池內(nèi)部電流分布情況。

對(duì)PEMFC單池催化反應(yīng)層的電流密度，由Tafel方程[6-8]描述為：

其中，CO2，cat為陰極氧氣濃度，其余為反應(yīng)系數(shù)。

由Tafel方程可知在氫氣充分供應(yīng)的情況下，電池內(nèi)部電流密度與氧氣濃度密切相關(guān)。過氧量是導(dǎo)致PEMFC電流分布不均的重要因素，一般情況下需維持在2倍左右才有足夠的氧氣參加反應(yīng)。若極板電流密度出現(xiàn)分布不均、局部過低的現(xiàn)象，則說明很有可能是氧氣不足。因此需要建立仿真模型，以過氧量為關(guān)鍵因素研究燃料電池外部磁場(chǎng)和內(nèi)部電流分布的關(guān)系。

1.2 建立PEMFC單體模型

電流在周圍空間激發(fā)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小和方向可以根據(jù)畢奧-薩伐爾定律來推導(dǎo)。畢奧-薩伐爾定律如下式所示：

其中：I d l表示恒定電流的一電流元；d B表示電流元在某一場(chǎng)點(diǎn)處激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；r表示從電流元指向某一場(chǎng)點(diǎn)的矢徑；er是 r方向上的單位矢量；μ0=4π·10-7N/A2為真空磁導(dǎo)率。

由畢奧-薩伐爾定律可知，對(duì)于大小已知的沿直線軌跡運(yùn)動(dòng)的電流元，它在周圍空間某一場(chǎng)點(diǎn)所激發(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與該點(diǎn)到它的距離成反比；當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)距電流元距離已知時(shí)，它在該場(chǎng)點(diǎn)激發(fā)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與該電流元的大小成正比。

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律對(duì)單體燃料電池進(jìn)行建模。單體燃料電池在外觀上一般表現(xiàn)為板狀。為了更好地對(duì)質(zhì)子交換膜上電流密度的分布進(jìn)行準(zhǔn)備分析，將一塊工作中的單體燃料電池沿電流方向等效為多條通電導(dǎo)線模型截面，同時(shí)對(duì)導(dǎo)線模型進(jìn)行區(qū)域編號(hào)，以進(jìn)一步減小其復(fù)雜程度，如圖1所示。

圖1 單體燃料電池原理結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)圖1模型，各子單元分別在自身周圍激發(fā)子磁場(chǎng)，各子磁場(chǎng)進(jìn)行矢量疊加即可得到電池的外部磁場(chǎng)。外部磁場(chǎng)隨各子單元電流的變化而變化。理想情況下，電池各子單元電流值大致相同，外部磁場(chǎng)分布呈現(xiàn)一定規(guī)律；當(dāng)質(zhì)子交換膜各部位氧氣濃度發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)子單元電流值會(huì)發(fā)生明顯改變，同時(shí)該子單元激發(fā)磁場(chǎng)隨之改變，引起外部磁場(chǎng)改變。

2 PEMFC模型外部磁場(chǎng)的仿真及分析

本文采用ANSOFT公司的MAXWELL 2D仿真軟件對(duì)電池模型外部磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，通過改變各子單元電流密度來模擬電池局部缺氧情況。

PEMFC單池的質(zhì)子交換膜有效反應(yīng)面積為15 cm×15 cm，將其劃分為3 cm×3 cm的25個(gè)子單元。輸出電流為50 A，各子單元電流值為2 A。

仿真參數(shù)及條件：求解類型為magneto static(靜磁場(chǎng))；每條導(dǎo)線截面激勵(lì)為電流激勵(lì)，值為2 A；求解區(qū)域region各向偏移均為500%；邊界為求解區(qū)域四邊，取balloon（氣球邊界）。

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律可知，PEMFC外部磁場(chǎng)分布情況與電池內(nèi)部電流變化密切相關(guān)。影響PEMFC內(nèi)部電流分布的因素中，本文取過氧量為關(guān)鍵因素。當(dāng)供氧不足時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部電流密度過低的情況，相對(duì)PEMFC整體低密度電流區(qū)分布呈片狀或條狀。本文所取質(zhì)子交換膜為正方形，因此在缺氧環(huán)境下分別對(duì)22、33子單元及 23-33-43-53子單元區(qū)進(jìn)行仿真分析可概括出典型的缺氧情況下的電池外部磁場(chǎng)分布。

2.1 理想情況

PEMFC在正常工作時(shí)，理想情況為內(nèi)部電流均勻分布。對(duì)其外部磁場(chǎng)進(jìn)行Maxwell 2D靜磁場(chǎng)仿真，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，電池外部磁場(chǎng)分布類似單條通電導(dǎo)線，以電池中心為圓心逐漸衰減。分析可知此現(xiàn)象符合畢奧-薩伐爾定律，即電流一定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離成反比。

圖2 理想情況下電池外磁場(chǎng)仿真

2.2 供氧不足

PEMFC供氧不足時(shí)，內(nèi)部電流分布受到較大影響，外部磁場(chǎng)也隨之改變。針對(duì)本文所建仿真模型，分析以下幾種典型缺氧情況：

(1)缺氧區(qū)位于 22 子單元（32、42、43、44、34、24、23子單元情況類似）

由圖3可以看出當(dāng)22子單元區(qū)處電流減小至0 A，其區(qū)域外部磁場(chǎng)呈收縮趨勢(shì)，且最大場(chǎng)強(qiáng)明顯小于其他區(qū)域。分析原因可知，由于磁場(chǎng)方向與檢測(cè)點(diǎn)到子單元中心的距離矢量r方向相關(guān)，每個(gè)子單元在同一檢測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量方向并不相同，且距離越遠(yuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度越小，故對(duì)任一檢測(cè)點(diǎn)，該點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度為各子單元激發(fā)磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量疊加。故當(dāng)22子單元電流減小時(shí)附近磁場(chǎng)受到較大影響，宏觀上表現(xiàn)為磁場(chǎng)分布不均。

圖3 子單元22供氧不足時(shí)電池外磁場(chǎng)仿真

(2)缺氧區(qū)位于33子單元

如圖4所示，與圖2理想均勻分布相似，但整體磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱。這是由于33子單元處于電池模型的中心區(qū)域，當(dāng)其內(nèi)部電流減小時(shí)，對(duì)周圍磁場(chǎng)的衰減程度是均勻的，基本不影響外磁場(chǎng)形狀，只在整體磁感應(yīng)強(qiáng)度減小上體現(xiàn)出來。

(3)缺氧區(qū)位于23-33-43-53子單元區(qū)（其他條狀子單元區(qū)情況類似）

如圖 5所示，當(dāng) 23、33、43、53單元區(qū)電流衰減時(shí)，兩端外部磁場(chǎng)值明顯小于其他區(qū)域，并且附近場(chǎng)強(qiáng)有較為明顯的衰減。此現(xiàn)象常見于平行流場(chǎng)，原因?yàn)榉磻?yīng)氣體在各流場(chǎng)中的流速分布不均，處于中間部位的流場(chǎng)中流速較低，得不到充分的氧氣，造成其電流密度較低[9]，從而導(dǎo)致電池模型四周的疊加磁場(chǎng)分布不均。

圖4 子單元33供氧不足時(shí)電池外磁場(chǎng)仿真

圖5 子單元區(qū)23-33-43-53供氧不足時(shí)電池外磁場(chǎng)仿真

由以上幾種情況的仿真分析可以看出，電池外部磁場(chǎng)強(qiáng)度與各子單元電流大小密切相關(guān)，因此在無法精確測(cè)量電池內(nèi)部電流分布時(shí)，可以通過觀察電池外部的磁場(chǎng)分布來大致判斷電流分布情況。在電池外部磁場(chǎng)分布中，衰減較為嚴(yán)重區(qū)附近子單元可近似判斷為缺氧區(qū)，即電流分布衰減區(qū)。相似的，磁場(chǎng)較強(qiáng)區(qū)附近子單元可近似判斷為電流分布增強(qiáng)區(qū)。

2.3 仿真驗(yàn)證

對(duì)于上面仿真得到的結(jié)論，這里以HWNAG J J[10]等人對(duì)PEMFC平行流場(chǎng)電流分布檢測(cè)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果為仿真對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證。將一塊單體PEMFC按實(shí)驗(yàn)結(jié)果劃分子單元并給定電流值，對(duì)其進(jìn)行電流及磁場(chǎng)分布仿真得到結(jié)果如圖6所示。

在圖 6中，由圖 6(a)進(jìn)行建模仿真，得到圖 6(b)、圖6(c)。比較圖 6(b)及圖 6(a)，可知該仿真與電流內(nèi)部電流分布真實(shí)情況較為接近，仿真結(jié)果可信；比較圖6(b)與圖6(c)可以得知，電池外部磁場(chǎng)分布與電流密度分布關(guān)系符合前文推斷，由電池外部磁場(chǎng)分布可以推得電池內(nèi)部電流分布。

本文首先對(duì)PEMFC機(jī)理模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并對(duì)電池內(nèi)部電流與外部磁場(chǎng)分布的關(guān)系進(jìn)行了仿真，以過氧量為關(guān)鍵因素分析了一般典型情況，最后采用實(shí)驗(yàn)案例對(duì)方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，PEMFC外部磁場(chǎng)對(duì)電池內(nèi)部電流變化較為敏感，由外部磁場(chǎng)的分布可以判斷電流分布情況，且不會(huì)對(duì)電池內(nèi)部產(chǎn)生干擾。

圖6 仿真結(jié)果

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