操作參數(shù)耦合對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響的模擬研究

蒙先攀, 李 超, 雷 涵, 廖晉楊, 陸福祿, 潘明章,2*

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004； 2.廣西電化學(xué)能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)突破了卡諾循環(huán)的限制，具有能量轉(zhuǎn)換率高、運(yùn)行溫度低、可靠性高、啟動(dòng)快以及排放物零污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的新型綠色能源轉(zhuǎn)換裝置之一[1-2]。所以對(duì)燃料電池性能的優(yōu)化和提高是推動(dòng)燃料電池發(fā)展的重要工作之一，運(yùn)行中的燃料電池性能主要受到各操作參數(shù)的控制。合理的工況可以有效地對(duì)電池內(nèi)水、熱進(jìn)行管理[3-4]，并且可以根據(jù)不同負(fù)載的需求和環(huán)境的變化對(duì)其操作參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的電池輸出性能[5]。因此，研究運(yùn)行中燃料電池各操作參數(shù)的影響對(duì)提高燃料電池性能具有重大意義。

目前，研究人員開展了大量工作研究燃料電池性能的影響因素[6-10]，研究思路主要圍繞著與燃料電池組件自身設(shè)計(jì)有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和各類運(yùn)行工況有關(guān)的操作參數(shù)開展相關(guān)工作。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)reire等[11]研究不同橫截面形狀(矩形和梯形)的流道及操作參數(shù)對(duì)PEMFC性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)物的加濕溫度高于電池溫度時(shí)，梯形截面形狀的流道能提高電池的性能，而矩形橫截面形狀的流道對(duì)PEMFC性能的影響小到可以忽略不計(jì)。Nanadegani等[12]通過在氣體擴(kuò)散層和催化劑層之間增加微孔層來提高燃料電池性能，研究發(fā)現(xiàn)增加的微孔層能夠通過降低液態(tài)水的飽和度來提高燃料電池性能。而當(dāng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)確定時(shí)，對(duì)操作參數(shù)的控制則變得至關(guān)重要，是優(yōu)化電池性能過程中必不可少的工作。Jang等[13]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)影響燃料電池性能的操作參數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著氣體加濕溫度、電池溫度、組裝的扭矩以及氣體流量的提升，電池的性能隨之提升。Chippar等[14]研究了夾緊力的變化程度對(duì)燃料電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)氣體擴(kuò)散層在肋邊附近的應(yīng)力最大且氣體擴(kuò)散層的壓縮組合效應(yīng)會(huì)引起反應(yīng)物和電流密度的分布不均勻，導(dǎo)致電池性能下降。Srinivasan等[15]提出了一種快速且比較精確的濕度控制方法，通過混合干燥和加濕氣流來跟蹤預(yù)定義相對(duì)濕度的設(shè)置點(diǎn)，以優(yōu)化提高燃料電池的性能。Donggun等[16]研究了操作壓力對(duì)PEMFC性能的影響，發(fā)現(xiàn)陰極側(cè)受壓時(shí)的性能優(yōu)于陽極側(cè)受壓時(shí)的性能，陰極側(cè)受壓增加了空氣通過水的穿透，降低了濃度過電位。且在缺水條件下對(duì)陰極側(cè)加壓，膜的飽和度會(huì)隨著壓力的增大而逐漸增大，而在富水條件下，這種現(xiàn)象逐漸減弱，性能差異逐漸縮小。

各操作參數(shù)對(duì)電池性能的影響均在不同程度上得到了討論；但大部分研究往往限定了部分操作參數(shù)，僅討論了某一特定參數(shù)的變化對(duì)燃料電池性能的影響情況，而針對(duì)多操作參數(shù)耦合對(duì)燃料電池性能的影響研究相對(duì)較少，特別是在分析各操作參數(shù)耦合時(shí)考慮散熱率變化的研究較少。本文以不同操作參數(shù)(工作電壓、操作壓力、溫度、自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的散熱率)作為變化運(yùn)行參數(shù)，采用ANSYS/FLUENT對(duì)燃料電池進(jìn)行模擬計(jì)算，揭示多操作參數(shù)耦合的內(nèi)部變化機(jī)制和溫度的變化規(guī)律，并研究了其對(duì)燃料電池性能的影響情況。

1 模型描述

研究通過ANSYS/design modeler建立一個(gè)包括多平行的蛇形陽極流道、多平行的陰極直流道、氣體擴(kuò)散層、催化層以及質(zhì)子交換膜的電池單體幾何模型(圖1)。該模型的活化面積為31.2 cm2，采用Nafion117質(zhì)子交換膜和40%的Pt/Vulcan催化層(具體建模參數(shù)如表1)。通過ANSYS/mesh對(duì)該模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格總數(shù)為130×104，并使用ANSYS/FLUENT 19.0的PEMFC模塊進(jìn)行模擬仿真。

圖1 燃料電池的三維模型Fig.1 3D model of a fuel cell

表1 幾何尺寸參數(shù)Table 1 Geometric dimension parameters

1.1 模型假設(shè)

為了便于建立數(shù)學(xué)模型，需要對(duì)模型做出如下假設(shè)：①不考慮重力對(duì)其產(chǎn)生的影響；②穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況；③非等溫條件運(yùn)行；④氣體擴(kuò)散層、催化層和膜各處化學(xué)性質(zhì)均勻且各向同性；⑤模型中運(yùn)輸?shù)慕M分以氣態(tài)形式存在；⑥反應(yīng)物為單一的流動(dòng)方向，不會(huì)逆流穿過膜電極；⑦反應(yīng)在陰極催化層發(fā)生。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

表2 控制方程Table 2 Governing equations

1.3 數(shù)值方法及邊界條件

研究采用FLUENT軟件模擬，使用壓力求解器通過多重網(wǎng)格法和有限體積法中的 “SIMPLE” 算法對(duì)控制方程進(jìn)行求解。軟件中采用的物性參數(shù)具體如表3所示。

模型的邊界條件通過FLUENT定義，質(zhì)量流量由進(jìn)口流量定義，壓力由出口壓力定義，壁面定義為不同的散熱率，部件之間的面定義為內(nèi)部面。質(zhì)量流量根據(jù)溫度、飽和蒸汽壓力化學(xué)計(jì)量數(shù)等條件來計(jì)算[17]。具體運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

表3 物性參數(shù)Table 3 Physical parameters

表4 運(yùn)行條件Table 4 Operating conditions

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所建立模型的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果和Valencia等[18]所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。Valencia等使用的是一個(gè)有效面積為31.2 cm2的燃料電池，其中膜電極由Nafion117和40%的Pt/Vulcan組成，氣體擴(kuò)散層由碳纖維布構(gòu)成。在圖2中可以看到仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律基本一致，但仿真值略高于實(shí)驗(yàn)值，且仿真值在高電流密度時(shí)更加接近實(shí)驗(yàn)值。產(chǎn)生差異的原因是模擬仿真忽略了接觸電阻的同時(shí)使用了恒定散熱率。

圖2 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[18]極化曲線比較Fig.2 Comparison of polarization curves between simulation results and experimental results in Ref.[18]

2.2 影響PEMFC性能的操作參數(shù)分析

圖3(a)是進(jìn)氣溫度為300 K時(shí)，不同操作壓力及電壓條件下，電流密度隨散熱率的變化情況?？梢钥闯觯娏髅芏仍?～0.65 A/m2之間變化。在各種工況(操作壓力和電壓)下，電流密度均隨散熱率的增加而增加。當(dāng)進(jìn)氣溫度和操作壓力不變時(shí)，電流密度隨電壓的增加而下降，當(dāng)電壓較大(0.9 V)時(shí)，可以觀察到3條不同大氣壓的電流密度變化幾乎重合在一起，說明此時(shí)散熱率對(duì)電流密度的影響較小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)進(jìn)氣溫度和電壓不變時(shí)，電流密度隨工作電壓的增加而增加。從圖3(a)中還可以觀察到當(dāng)散熱率達(dá)到40 W/(m2·K)時(shí)，各工況電流密度的變化趨勢(shì)發(fā)生了變化，這可能是由于散熱率過大對(duì)電池內(nèi)的溫度產(chǎn)生了較大的影響而造成的。

圖3(b)是進(jìn)氣溫度為330 K時(shí)，不同操作壓力及電壓條件下，電流密度隨散熱率的變化情況?？梢钥闯觯娏髅芏鹊淖兓厔?shì)與圖3(a)的300 K時(shí)的變化趨勢(shì)相似，其中電流密度范圍較300 K時(shí)有所增加。在電壓為0.5 V、操作壓力為303.975 kPa時(shí)電流密度達(dá)到最大，最大值為0.81 A/m2，說明進(jìn)氣溫度的增加在一定程度上可以增加電流密度。同時(shí)結(jié)合圖3(a)，從圖3(b)中散熱率40 W/(m2·K)后的變化可以更加清晰地看出，0.5 V的3條操作壓力曲線斜率變大，電流密度增長速度增加，而0.7 V的3條操作壓力曲線的電流密度開始下降，說明不但電壓的增加會(huì)降低電流密度，還說明在散熱率增加到一定值后[40 W/(m2·K)]電壓的影響開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖3 不同操作壓力及電壓情況下電流密度隨散熱率的變化Fig.3 Changes of current density with heat transfer rate under different operating pressures and voltages

2.3 操作參數(shù)對(duì)溫度分布的影響

通過質(zhì)子交換膜云圖進(jìn)一步揭示關(guān)于壓強(qiáng)及散熱率對(duì)溫度分布的影響。從圖4可以看出，溫度在膜上的分布都有著相似的規(guī)律，但溫度范圍卻隨著操作壓力和散熱系數(shù)的變化而變化。隨著操作壓力的升高，膜上各區(qū)域溫度也隨之升高，這主要是因?yàn)椴僮鲏毫Φ脑黾犹岣吡穗姵匦阅埽瑥亩黾恿水a(chǎn)熱，才使得膜各區(qū)域溫度均有所增加。同時(shí)還可以觀察到隨著散熱率的增大，最高溫度從氣體出口向膜的中心區(qū)域移動(dòng)，這主要是因?yàn)殡S著散熱率的增加，燃料電池與環(huán)境的換熱量增大，膜的邊緣更易得到降溫，導(dǎo)致膜內(nèi)的最高溫度點(diǎn)逐漸向膜的中心區(qū)域移動(dòng)。

圖5是進(jìn)氣溫度為330 K時(shí)、工作電壓0.7 V時(shí)，散熱率對(duì)質(zhì)子交換膜溫度影響的分布。從圖5中可以看出，330 K時(shí)的溫度分布規(guī)律與300 K時(shí)相似，特別是散熱率在5 W/(m2·K)時(shí)尤為明顯。但與圖4不同的是，在圖5中氣體入口的溫度總是低于出口溫度，而當(dāng)進(jìn)氣溫度升高到330 K后，隨著散熱率的增加，氫氣入口的溫度相對(duì)于出口溫度逐漸增大并超過出口溫度，在散熱率為60 W/(m2·K)時(shí)，可以從云圖中看出氫氣入口的溫度已經(jīng)明顯高于出口溫度。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于在低散熱率時(shí)電池體溫度高于入口氣體的溫度，進(jìn)氣對(duì)電池體起到了降溫作用，所以氫氣入口處溫度較低。而當(dāng)散熱率較高[60 W/(m2·K)]時(shí)，由于較大的散熱性導(dǎo)致電池體溫度降低，此時(shí)電池體溫度低于330 K的入口氣體溫度，才使得氫氣入口溫度大于出口溫度的現(xiàn)象出現(xiàn)。

為進(jìn)一步反映質(zhì)子交換膜云圖上溫度的分布情況，對(duì)質(zhì)子交換膜上不同操作參數(shù)耦合的平均水含量進(jìn)行了定量分析，圖6(a)進(jìn)氣溫度為300 K時(shí)，質(zhì)子交換膜溫度隨散熱率的變化。從圖6(a)中可以很明顯地看出，散熱率對(duì)溫度的影響情況，散熱率越大，各個(gè)工況的溫度均越低。當(dāng)散熱率不同時(shí)，最高溫度均出現(xiàn)在操作壓力303.975 kPa、電壓0.5 V的操作參數(shù)條件下，當(dāng)散熱率為5、40、60 W/(m2·K)時(shí)，最高溫度分別為369、349、350 K。從圖6(a)中還可以看出在之前圖3中0.9 V電壓時(shí)重合在一起的三個(gè)操作壓力的電流密度值在不同散熱率情況下均為300 K左右。對(duì)于電壓為0.7 V和0.5 V的工況，均是操作壓力越大溫度越高，且在電壓0.5 V、操作壓力303.975 kPa、散熱率5 W/(m2·K)時(shí)出現(xiàn)最高溫度，其值為368.72 K。

圖6(b)為進(jìn)氣溫度為330 K時(shí)，質(zhì)子交換膜溫度隨散熱率的變化?？梢钥闯觯浞植家?guī)律與圖6(a)類似，當(dāng)散熱率不同時(shí)，最高溫度依舊出現(xiàn)在操作壓力303.975 kPa、電壓0.5 V的操作參數(shù)條件下，當(dāng)散熱率為5、40、60 W/(m2·K)時(shí)，最高溫度分別為400、363、364 K。此外，在圖6(b)中可以觀察到不同散熱率時(shí)出現(xiàn)的最高溫度與圖6(a)一樣均在散熱率60 W/(m2·K)時(shí)出現(xiàn)了少量的回升，這可能是由于隨著散熱率的增加，電池體溫度下降，電池內(nèi)相對(duì)濕度增加，使得電池性能增加，導(dǎo)致產(chǎn)熱大于散熱的結(jié)果，這一點(diǎn)也可以通過操作壓力303.975 kPa、電壓0.5 V的折線在散熱率40 W/(m2·K)后電流密度又再次上升(圖3)而得到佐證。

圖4 進(jìn)氣溫度為300 K、工作電壓0.7 V時(shí)，散熱率對(duì)質(zhì)子交換膜溫度影響的分布Fig.4 Effect distribution of heat transfer rate on proton exchange membrane temperature at 300 K inlet temperature and 0.7 V working voltage

圖5 進(jìn)氣溫度為330 K時(shí)、工作電壓0.7 V時(shí)，散熱率對(duì)質(zhì)子交換膜溫度影響的分布Fig.5 Effect distribution of heat transfer rate on proton exchange membrane temperature at 330 K inlet temperature and 0.7 V working voltage

2.4 操作參數(shù)對(duì)電流密度分布的影響

電流密度是反應(yīng)燃料電池性能的一個(gè)重要參數(shù)，電流密度的分布會(huì)受到各操作參數(shù)的影響。圖7為進(jìn)氣溫度300 K、工作電壓0.7 V時(shí)，不同散熱率和操作壓力對(duì)質(zhì)子交換膜電流密度分布的影響。

圖6 質(zhì)子交換膜溫度隨散熱率的變化Fig.6 Changes of proton exchange membrane temperature with heat transfer rate

圖7 進(jìn)氣溫度為300 K、工作電壓0.7 V時(shí)，散熱率對(duì)質(zhì)子交換膜電流密度分布的影響Fig.7 Effect of heat transfer rate on the current density distribution of proton exchange membrane when the inlet temperature is 300 K and the working voltage is 0.7 V

圖8 進(jìn)氣溫度為330 K、工作電壓0.7 V時(shí)，散熱率對(duì)質(zhì)子交換膜電流密度分布的影響Fig.8 Effect of heat transfer rate on current density distribution of proton exchange membrane when inlet temperature is 330 K and working voltage is 0.7 V

從圖7可以看出，進(jìn)口方向的電流密度比較低，高電流密度集中在氧氣和氫氣出口處，這是由于300 K的進(jìn)氣溫度較低，進(jìn)入電池的氣體隨著溫度的升高反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，從而導(dǎo)致電流密度的提高。還發(fā)現(xiàn)操作壓力升高，電流密度升高，這是由于操作壓力的升高增加了電池內(nèi)各質(zhì)量傳輸，加快了反應(yīng)速度從而提升了電池性能。

圖8為進(jìn)氣溫度330 K、工作電壓0.7 V時(shí)，不同散熱率和操作壓力對(duì)質(zhì)子交換膜電流密度分布的影響?？梢钥闯銎渑c圖7有著相似的分布規(guī)律，不同的是氫氣進(jìn)口處的電流密度開始增大，在散熱率為60 W/(m2·K)時(shí)，氫氣入口處電流密度增大的更加明顯，并且高電流主要集中在質(zhì)子交換膜的中間。

3 結(jié)論

通過模擬研究了各操作參數(shù)耦合對(duì)燃料電池性能的影響，特別是考慮到散熱率變化對(duì)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)操作壓力、進(jìn)氣溫度和散熱率的增加均能提高燃料電池的電流密度。而工作電壓的增加會(huì)顯著降低燃料電池的性能，且接近開路電壓時(shí)，其他操作參數(shù)的變化對(duì)電流密度的輸出影響很小，工作電壓對(duì)電流密度的影響比其他操作參數(shù)的影響更明顯，占據(jù)主導(dǎo)地位。操作壓力的提高增強(qiáng)了電池內(nèi)各質(zhì)量傳輸，對(duì)燃料電池的性能起到增強(qiáng)作用。進(jìn)氣溫度的影響效果取決于此時(shí)電池體溫度和最佳工作溫度的關(guān)系，若電池體溫度高于最佳工作溫度，進(jìn)氣起降溫效果時(shí)會(huì)增強(qiáng)燃料電池性能，若電池體溫度低于最佳工作溫度，則進(jìn)氣起升溫效果時(shí)會(huì)增強(qiáng)燃料電池性能。散熱率的增大可以加速燃料電池與環(huán)境的換熱，從而增強(qiáng)燃料電池的性能。