兩種不同結構質子交換膜燃料電池的性能分析

宋江南　黃瑛

摘 要：雙極板（bipolar plates） 在燃料電池中起到傳遞電能和熱能以及分配和分離反應氣體的作用，是質子交換膜燃料電池的重要組成部件。通過CFD技術將平行流場和單蛇形流場燃料電池的性能進行仿真分析，比較兩種不同流場的燃料電池的反應流體速度分布、反應物氫氣分布和壓力云圖，分析流場分布對燃料電池性能的影響。分析得出：平行流場反應流體壓降小，電化學反應更穩(wěn)定，但反應流體分布不均，供氣量不足，易造成水淹現(xiàn)象;蛇形流場流道長度長，壓降大，反應流體流動速度快且分布均勻，能夠避免水淹現(xiàn)象，但壓力損失大，電流密度分布不均，不利于燃料電池性能發(fā)揮。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池;雙極板;平行流場;蛇形流場

中圖分類號：TM911.4? 文獻標志碼：A

基金項目：貴州省科技計劃資助項目（黔科合基礎[2020]1Y238）

質子交換膜燃料電池能夠將燃料的化學能在不經(jīng)過燃燒的條件下直接將其轉化為電能和熱能，效率高且對環(huán)境友好[1-3]，是一種重要的可再生能源，具有良好的應用前景[4-5]。其在工作過程中能夠快速啟動，具有靜音的特點，接近零排放（殘留物僅為液態(tài)水和熱量），而且它不受卡諾效率的限制[6-7]。這種符合當今可持續(xù)發(fā)展價值觀的儲能裝置正在被越來越多的國家和企業(yè)所采用。雙極板是質子交換膜燃料電池的重要組成部件[8]，可以作為質子交換膜燃料電池傳輸電能和熱能的通道，在陰極和陽極氣體的分離和分配中具有重要作用。它約占燃料電池重量的80%和電池堆重量的45%[9]。雙極板的結構會對燃料電池的性能產(chǎn)生很重大的影響[10]。如何對雙極板結構進行優(yōu)化設計成為了研究者們的研究重點。

燃料電池的流場設計有4種基本形式，即平形流場、蛇形流場、點陣形流場和交指形流場[11]。研究者們?yōu)樘骄侩p極板的結構對燃料電池性能的影響做出了很多嘗試。李子君等[12] 對比研究了直流道和波形流道對 PEMFC 性能提升的機理，分析了兩種流道內(nèi)氧氣、液態(tài)水、速度以及電流密度分布。結果表明，在較高電流密度下，三維波形流道強化了狹窄通道部分氧氣向催化層的傳輸，提高了氧氣的供應，有效去除了流道內(nèi)的液態(tài)水，使峰值功率密度提高了10.16%。周偉等[13]分析了不同三維流場結構在水熱管理方面的優(yōu)勢 ，進一步討論了增強水熱管理的技術措施，歸納分析了三維流場在實際應用中面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展趨勢。

GHANBARIAN等[14]提出了質子交換膜燃料電池平行蛇形流場的合理設計方法?？紤]了通道寬度和高度、相鄰通道間的肋、平行通道數(shù)和蛇形轉彎數(shù)等參數(shù)，確定了在這些設計參數(shù)范圍內(nèi)的所有可能的流場結構，通過仿真模擬找出了能夠得到最小壓降的流場結構。VIOREL[15] 通過改變單蛇形-兩通道燃料電池的通道長度和肋寬來探究通道長度和肋寬對燃料電池性能的影響。結果表明，肋寬最窄（0.75 mm）的模型沿溝道間氣體擴散層區(qū)域的速度分布相當均勻;當肋寬為1.25 mm時，在蛇形區(qū)域內(nèi)通過氣體擴散層呈現(xiàn)中等對流流動（8%），在兩個通道之間沿整個氣體擴散層區(qū)域的肋對流程度第二高，陰極邊界氧氣消耗情況最好，局部最均勻。

上述研究結果說明，合理布置的流道能夠有效提升燃料電池的性能。本文主要在50 mm×50 mm的流場區(qū)域內(nèi)建立單通道蛇形流場和平行流場兩種質子交換膜燃料電池模型，采用有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh進行網(wǎng)格劃分，利用計算流體力學仿真軟件（Fluent）探究不同的流場分布方式對燃料電池性能的影響。

1 模型與參數(shù)

1.1 幾何參數(shù)

流場的主要功能是為反應氣體提供適合電化學反應的場所，將反應氣體均勻分布在流道中使其充分反應，保證反應氣體的對流與擴散，方便電化學反應生成的液態(tài)水排出以及為電化學反應中電子傳導和熱傳遞并排出廢熱提供途徑。在燃料電池正常工作中，雙極板的結構形式很大程度上影響了在流道中進行的各種化學反應和物理變化。因此，雙極板的結構直接影響到質子交換膜燃料電池的性能。

在燃料電池仿真計算過程中，需要建立9個模型計算區(qū)域，分別是陰極和陽極的集電極、流場、氣體擴散層、催化層以及質子交換膜。其中，SolidWorks軟件建立的三維模型如圖1和圖2所示，主要考慮燃料電池陰極不同流場形式對燃料電池性能的影響，兩種不同結構的燃料電池僅流道分布結構不同，分為平行流場和蛇形流場，其他模型參數(shù)均相同。流道長寬均為1 mm，質子交換膜厚0.05 mm，氣體擴散層厚0.2 mm，催化層厚0.01 mm，活化面積為25 cm2。

1.2 物性參數(shù)與邊界條件

規(guī)定燃料電池進氣口為質量流量入口，出口為壓力出口，壁面溫度保持353 K不變。采用基于Simple算法進行離散型迭代求解，不考慮重力的影響，陰極和陽極集電極設置為固體，其余部分均為流體。壓力采用表1作為仿真中設置的物性參數(shù)，表2為求解所設置的邊界條件。在仿真過程中，采用恒電位邊界條件，陰極集電極電勢從靠近開環(huán)電路的高電位逐漸降低，每次迭代得到相對應的電流密度，擬合結果即得到極化曲線。

2 模型假設

為方便燃料電池的計算，對計算條件進行如下假設：1）燃料電池的計算環(huán)境為穩(wěn)態(tài)狀態(tài);2）流場中氣體為不可壓縮氣體;3）燃料電池內(nèi)部流體的雷諾數(shù)小于2 300，流體的流動為層流;4）計算過程中溫度始終不發(fā)生變化;5）質子交換膜沒有透水性和透氣性;6）不考慮重力的影響;7）多孔介質為各向同性材料。

3 數(shù)學模型方程

4 網(wǎng)格無關性證明

采用HyperMesh網(wǎng)格劃分工具，網(wǎng)格采用6面體網(wǎng)格，用3種不同網(wǎng)格單元數(shù)的網(wǎng)格將模型進行劃分。網(wǎng)格均為結構化網(wǎng)格，模型均未出現(xiàn)負體積，case1、case2和case3分別對應的網(wǎng)格單元數(shù)為1 682 020、1 840 556和2 160 668。圖3為準備計算的燃料電池局部結構網(wǎng)格，其中網(wǎng)格單元數(shù)為1 682 020。網(wǎng)格無關性檢測通過對3種不同網(wǎng)格單元數(shù)的模型進行仿真分析，模型選取平行流場的燃料電池，在恒定電壓下求得電流密度，從而繪制出極化曲線。對比3種網(wǎng)格劃分數(shù)量的燃料電池的極化曲線，結果如圖4所示。在不同網(wǎng)格單元數(shù)下，3種燃料電池的極化曲線誤差范圍在5%以下，誤差在合理范圍內(nèi)，可以驗證網(wǎng)格單元數(shù)不會對仿真結果造成影響。

5 結果與分析

5.1 極化曲線分析

極化曲線是衡量質子交換膜燃料電池性能的重要依據(jù)。圖5顯示了兩種不同類型流場的質子交換膜燃料電池的極化曲線。從圖5中可以看出，兩種流場分布的燃料電池在電流密度較小時的電池性能相差很小，兩種燃料電池的活化極化和歐姆極化現(xiàn)象無明顯區(qū)別。當電流密度超過4 A/m2時，蛇形流場的濃差極化現(xiàn)象相較于平行流場要明顯。這是由于平行流場的流體在平行流道內(nèi)部流動時流體分布不均勻，導致電化學反應不能夠充分進行。而且平行流場在靠近進口和出口的流體流動速度較大，而在流道內(nèi)流動速度較小，如圖6所示。

而蛇形流場燃料電池流道內(nèi)反應氣體的流速均勻且流速高（如圖7），使反應流體在燃料電池流道內(nèi)部更具流通性，反應流體能夠充分接觸，提升能量轉換效率。蛇形流場進口與出口的距離較長，壓差大且流速高，使燃料電池電化學反應生成的液態(tài)水能夠及時排出，避免發(fā)生水淹現(xiàn)象造成流體的阻塞，從而能夠提高燃料電池的性能。

5.2陰極流體分布均勻性分析

圖8為蛇形流場質子交換膜燃料電池流道內(nèi)氫氣的質量分布。由于蛇形流場為單通道流場經(jīng)過曲折回轉排布，流道的長度提高，反應氣體從進口到出口隨著反應的進行不斷消耗，導致從流道進口到出口的壓降增大，使得反應氣體的質量分數(shù)從進口到出口逐漸減小，反應氣體的濃度分布不均造成電流密度的分布不均勻，使得燃料電池的性能降低。較高的壓降會導致較高的寄生功率，使燃料電池的總效率降低。由于進口和出口之間存在較大的壓力差，整個流場的壓力分配不均，嚴重時會使流體入口處脫水，流道內(nèi)各部位發(fā)生流體溢出現(xiàn)象，流道各部位之間流體泄露，影響電化學反應的正常進行。

如圖9為平行流場氣體擴散層內(nèi)的氫氣分布。平行流場的流道相較于蛇形流場更短，反應氣體在流道內(nèi)流動的壓力損失較小，使反應氣體在燃料電池內(nèi)部分布不會從進口到出口逐漸降低，而是在整個反應區(qū)域內(nèi)的局部地區(qū)有質量分布差異。相較于蛇形流場，平行流場內(nèi)反應流體的分布更加均勻，更有利于反應物充分反應，表現(xiàn)出優(yōu)于蛇形流場的氣體擴散方式。

5.3 壓力云圖分析

如圖10，蛇形流場的壓力分布和反應氣體分布情況類似。蛇形流場最高壓力為98 509.5 Pa，最低壓力為4 000 Pa。在平行流場燃料電池內(nèi)部，反應最高壓力數(shù)值為452 538 Pa，最低壓力為1 713 Pa（見圖11）。在蛇形流場燃料電池內(nèi)部的平均壓力相較于平行流場的平均壓力要低很多，由于蛇形流場的反應流體整體流速高，多余反應氣體和反應產(chǎn)生的液態(tài)水能夠有效地排出，所以平均壓力較低，整體壓力分布從進口到出口逐漸降低。在平行流場燃料電池中，由于流道內(nèi)部的反應流體和反應流體產(chǎn)物整體流速較低，平行流場各個流道平行排列且緊密，流體的流動容易產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，因此整體流場的壓力水平偏高。

在平行流場中，由于反應的進行，反應氣體不斷消耗，壓力從進口到出口逐漸平穩(wěn)降低，呈階梯狀分布。平行流場反應流體分布不均，導致通道靠近入口端反應氣體的壓力較大，靠近出口端反應流體壓力較小。但由于流道長度相比于蛇形流場短，流道的壓力損失比蛇形流場小，使電流密度分布均勻，能夠讓電化學反應更穩(wěn)定地進行。

6 結論

通過仿真和對比圖像結果，對兩種不同流道分布方式的質子交換膜燃料電池的性能進行分析，得出如下結論：

1）平行流場流道長度短，反應壓降小，但反應流體流動速度在靠近進出口處和流道內(nèi)差異較大，使流體分布不均，供氣量不足。內(nèi)部流體難以順暢流動，造成水淹現(xiàn)象，降低燃料電池性能。

2）蛇形流場流道長度長，反應壓降大，反應流體流速較高而且速度分布均勻，能夠快速排出反應生成的液態(tài)水，避免水淹現(xiàn)象。但由于流道長度過長，使得從進口到出口的壓力損失增大，且隨著反應物的消耗，從進口到出口反應物的濃度逐漸降低，造成電流密度的分布不均勻，不利于燃料電池的整體性能發(fā)揮。

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（責任編輯：曾 晶）

作者簡介：宋江南（1998—），男，在讀碩士，研究方向：燃料電池建模與仿真，E-mail：652513553@qq.com.

通訊作者：黃 瑛，E-mail：1954174359@qq.com.

Performance Analysis of Two Proton Exchange Membrane

Fuel Cells with Different Structures

SONG Jiangnan HUANG Ying

（College of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： Bipolar plate is an important component of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC）， which can transfer electric energy and heat energy， distribute and separate reactive gas. The performance of fuel cells with parallel flow field and single serpentine flow field was simulated and analyzed by CFD technology. The velocity distribution of reaction fluid， hydrogen distribution of reactant and pressure nephogram of fuel cells with two different flow fields were compared to analyze the influence of flow field distribution on the performance of fuel cells. The results show that the pressure drop of reaction fluid in parallel flow field is small and the electrochemical reaction is more stable， but the distribution of reaction fluid is uneven and the gas supply is insufficient， which is easy to cause water flooding. The serpentine flow field has the advantages of long channel length， high pressure drop， fast flow speed and uniform distribution of reaction fluid， which can avoid water flooding. However， the large pressure loss and uneven distribution of current density are not conducive to the performance of fuel cells.

Key words： proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）; bipolar plate; parallel flow field; serpentine flow field