質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流場分析①

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(1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟大學汽車學院，上海 201804)

0 引 言

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有室溫快速啟動、效率高、無污染、噪音小等優(yōu)點，已在航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域得到廣泛使用，發(fā)展前景廣闊。PEMFC由多個部件組成，其中膜電極和雙極板是最主要的部件。雙極板上布有形狀各異的流道，其功能是用來引導反應氣體的流動方向，以確保反應氣體可以均勻分配到電極各處。如果反應氣體在電極各處分布不均勻，將會引起電流密度不均勻，從而導致燃料電池電池局部過熱，電池性能下降，電池使用壽命縮短。同時如果流道阻力過大，則會增大反應氣體質(zhì)量傳輸過程中所需的外加功耗。Watkins[1]、Li和Sabir等人[2]的研究結(jié)果表明，合理的流道設計能夠使燃料電池的實際性能提高50%左右。

因此，分析質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流道設計對氣體分布均勻性及流道阻力的影響，對提高燃料電池性能具有重要意義。

1 雙極板形狀

PEMFC的雙極板通常是由具有良好導電性、導熱性和抗腐蝕性的材料制成。

常見的雙極板流道設計主要包括平行流道[3]、蛇形流道[4]、螺旋流道[5]、網(wǎng)格流道[6]、交指型流道[7]及分形流道[8]，如圖1所示。由于分形流道形狀不規(guī)則，制作標準不統(tǒng)一，而交指型流道因其獨特的工作方式，不便于與其他形狀雙極板一起做流場分析對比，故本文只對比分析前四種流道設計的流場。

不同流道設計的雙極板往往具有不同的特點[9]，表1為不同流道設計的雙極板優(yōu)缺點比較。

表1 不同流道設計的雙極板優(yōu)缺點比較

流道尺寸對流道內(nèi)氣體傳輸性能有重要影響，Watkins等學者[10]通過研究蛇形流道尺寸的最優(yōu)化問題提出流道的最佳寬度、脊的最佳寬度和流道最佳深度分別在在1.14～1.4 mm、0.89～1.4 mm和l.02～2.04 mm內(nèi)。為了便于對比分析，本文以一個電流密度為500mA·cm-2、截面積為100mm*100mm的單電池為研究對象，其雙極板截面尺寸為100mm*100mm、流道寬度1.2mm、流道深度2mm、脊寬1mm、采用單一流道。

2 理論計算

氫-氧燃料電池化學反應式：

燃料電池功率：

(1)

式中：

P為單電池或電池堆設計輸出功率，W；U0為單電池設計輸出電壓，V；e為電子電量，1.6*10-19C；t為時間，s；n1為單電池反應轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；n2為電堆層數(shù)；

圖1 常見的流道設計

圖2 平行流道速度分布圖

燃料電池單電池的標準態(tài)電勢為1.23V，但是實際上輸出電壓為0.95V左右，計算得本文所研究的單電池功率為：

P=49.5W

空氣中氧氣含量約為21%，計算所需空氣流量為：

q=0.019775g·s-1=0.015294L·s-1

計算得雙極板流道入口速度為：

v=6.37m·s-1

已知對于非圓管，雷諾數(shù)計算公式為：

(2)

式中：γ為運動粘性系數(shù)；μ為動力粘度；ρ為流體密度；R為水力半徑。

質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度一般為60℃—80℃[11]，假定反應氣體溫度為70℃。計算得到：Re=477，即流道內(nèi)流動為層流。

3 流場分析

3.1 仿真設置

將模型網(wǎng)格導入到Fluent后，進行如下參數(shù)設定：

表2 仿真設定

設置監(jiān)測面，監(jiān)測進氣口、出氣口壓力，計算兩者壓降。

3.2 傳質(zhì)面積

燃料電池雙極板采用不同流道(流道規(guī)格相同)時，雙極板與膜電極接觸的面積，即為燃料電池工作時的傳質(zhì)面積。質(zhì)子交換膜燃料電池因吉布斯自由能的限制，單電池存在理論最高電壓。吉布斯自由能與電壓之間的關(guān)系為：

(3)

在電壓一定的情況下，為了提高功率就要提高電流，燃料電池中電流計算公式為：

I=j·A=nFvA

(4)

式中：j為電流密度，A·cm-2；A為傳質(zhì)面積，cm2；v為單位面積反應速率。

在滿足燃料電池系統(tǒng)水熱管理等各種工作條件要求下，傳質(zhì)面積越大越有利于電流的提高。不同流道設計的雙極板傳質(zhì)面積如表3所示。

表3 不同流道設計的雙極板傳質(zhì)面積

由表可知，網(wǎng)格流道的傳質(zhì)面積最大，平行流道、蛇形流道兩者傳質(zhì)面積相差不大，螺旋流道傳質(zhì)面積最小。理論上，在反應氣體流量滿足反應需求的前提下，雙極板的傳質(zhì)面積越大，單位時間內(nèi)通過膜電極的帶電粒子越多，產(chǎn)生的電流越大，工作性能越好。但在實際使用中，還需要綜合考慮流道阻力、流道排水、電極保濕等因素對燃料電池性能的影響。

3.3 氣體分布均勻性

氣體分布不均導致反應氣體濃度不均，根據(jù)Butler-Volmer方程：

(5)

圖3平行流道中水平流道的流量分布

反應氣體的濃度影響反應速率，不同濃度會導致產(chǎn)生的電流大小不同，進而會影響燃料電池溫度分布和燃料電池性能。

平行流道速度分布如圖2所示。為了便于分析，將平行流道中的水平流道沿豎直方向從上而下依次編號，計算每個流道的流量如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，在平行流道中，水平流道的流量在豎直方向上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。位于中部的水平流道流量很小，出現(xiàn)氣體供應不足的現(xiàn)象。在末端，水平流道流動速度激增。這是因為氣體入口速度方向為豎直方向，在水平方向上無速度分量，但是由于流道阻力及氣體擴散現(xiàn)象，氣體會沿水平方向蔓延，當氣體流到豎直流道末端時，此處的水平流道成為主要出口，故速度上升。平行流道氣體主要分布在四周流道，在中心流道處速度較小，氣體供應量少。整體來看，氣體分布不均，中心區(qū)域氣體供應不足。

圖4 網(wǎng)格流道速度分布圖

網(wǎng)格流道是在平行流道的基礎(chǔ)上增加了豎直流道，這使得平行流道中各水平流道可以相互貫通，有利于氣體分布。從上圖可以看出，相比于平行流道，網(wǎng)格流道的氣體分布均勻性得到提高。

圖5 蛇形流道速度分布圖

蛇形流道速度分布如上圖所示，分布較為均勻，在拐角處速度略有下降，其余部分氣體流速基本一致。但隨著流道長度的增加，反應氣體不斷消耗，在氣道末端可能出現(xiàn)氣體供應不足的現(xiàn)象。

圖6 螺旋流道速度分布圖

圖7 平行流道壓力云圖

圖8 平行流道中水平流道的壓力及壓降分布

將螺旋流道由入口流向中心區(qū)域的流道稱為進氣道，由中心區(qū)域流到出口的流道稱為出氣道，速度分布如圖6所示。螺旋流道和蛇行流道速度分布類似，仍可能存在末端氣體供應不足的現(xiàn)象，但是由于螺旋氣道的進氣道與出氣道交替排列分布，這種布置方式在一定程度上減弱了流道長度對氣體分布均勻性的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，螺旋流道的氣體均勻性優(yōu)于蛇形流道。

3.4 阻力分析

燃料電池工作時，需要保證反應氣體具有一定壓力，進而可以提高反應速率。不同流道設計的雙極板流動阻力不同，過大的流道壓降會加大空壓機的功率，造成外加功耗變大，燃料電池系統(tǒng)性能下降。

根據(jù)流體力學，可知流道流動阻力包括沿程壓力損失與局部壓力損失兩部分。沿程壓力損失計算公式為：

式中：l為管長，單位m；d為當量直徑，0.0015 m；v為斷面平均流速，單位m·s-1；ρ為流體密度，1.029kg·m-3；λ為沿程阻力系數(shù)。

局部壓力損失為：

(6)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)。

圖9 網(wǎng)格流道壓力云圖

圖10 蛇形流道壓力云圖

流道進出口的壓降可以表征流動阻力的大小，各流道壓降如表4所示。

表4 不同流道設計的雙極板壓降

圖11 螺旋流道壓力云圖

從圖7、圖8可以看出，平行流道中水平流道的壓力沿氣體的前進方向不斷下降，位于中間區(qū)域的水平流道壓降基本不變，位于豎直流道末端的水平流道由于大量氣體涌入，流速增大，沿程阻力較其它位置的水平流道變大，導致壓降突增。

通過圖9與圖7的對比可以發(fā)現(xiàn)，同一入口條件下，平行流道的壓降大于網(wǎng)格流道。這主要是因為網(wǎng)格流道的傳質(zhì)面積大，流體更加分散，流動速度低所致。

螺旋流道和蛇形流道的入口氣體流動速度大小一樣，由傳質(zhì)面積可知螺旋流道長度小于蛇形流道，即螺旋流道的沿程阻力小于蛇形流道。但是對比圖10、圖11發(fā)現(xiàn)，螺旋流道的總壓降大于蛇形流道，這說明螺旋流道的局部阻力遠遠大于蛇形流道。

總體來看，蛇形流道與螺旋流道的壓降明顯高于其它形狀的流道。這是由于壓力損失與流體流動速度的平方呈正相關(guān)性。在本文中，蛇形流道與螺旋流道只存在單一流道，流動速度大，故壓力損失大。但在實際應用中，該兩種流道多采用多流道的形式，用以降低流動速度，從而降低壓降。

4 總 結(jié)

從流道傳質(zhì)面積來看，網(wǎng)格流道明顯優(yōu)于其他流道，但是這也大大提高了網(wǎng)格流道的加工復雜性。從氣體分布均勻度來看，網(wǎng)格流道優(yōu)于平行流道，螺旋流道優(yōu)于蛇形流道。從流道阻力來看，網(wǎng)格流道優(yōu)于平行流道，蛇形流道優(yōu)于螺旋流道。

綜合來看，在不考慮加工復雜度的前提下，單流道雙極板優(yōu)先采用網(wǎng)格流道，多流道雙極板優(yōu)先采用螺旋流道，可以提高燃料電池性能。

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