具有脊下對(duì)流的循環(huán)蛇形流場(chǎng)燃料電池性能分析

唐景春, 柳奐宇

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種高效無污染的能源轉(zhuǎn)換裝置,受到了廣泛的關(guān)注。質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane,PEM)燃料電池的研究得出,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)PEM電池的效率和性能有著較大的影響[1]。合理的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能夠使反應(yīng)物在催化層分布更加均勻,從而提高電池的性能及燃料利用率[2]。

文獻(xiàn)[3]通過對(duì)比不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得出，單通道蛇形流場(chǎng)相鄰?fù)ǖ赖膲翰钶^大,而平行流場(chǎng)相鄰?fù)ǖ赖膲翰钶^小;文獻(xiàn)[4]采用3種膜電極組件,測(cè)量了不同壓差下的局部電流密度，實(shí)驗(yàn)表明相鄰?fù)ǖ乐g的壓差是脊下對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力,脊下對(duì)流強(qiáng)度與相鄰流道間壓差成正比;文獻(xiàn)[5]通過對(duì)單通道蛇形流場(chǎng)建模分析,得出單通道蛇形流場(chǎng)具有較強(qiáng)的脊下對(duì)流,但是也造成了較大的壓降及泵功;文獻(xiàn)[6]采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)模型研究了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響,結(jié)果表明脊下對(duì)流能明顯改善催化層表面反應(yīng)物分布,提高電池輸出性能;文獻(xiàn)[7]對(duì)電池內(nèi)相鄰流道間水的生成和流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,認(rèn)為相鄰流道間壓差較小時(shí),脊下位置液態(tài)水易集聚,會(huì)產(chǎn)生水淹現(xiàn)象;文獻(xiàn)[8]建立了相鄰流道的三維兩相模型,研究發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)脊下對(duì)流能改善除水,強(qiáng)化整體反應(yīng)物傳質(zhì)過程。因此,通過優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化脊下對(duì)流,是提高電池性能的研究方向之一。

本文為了增強(qiáng)脊下對(duì)流并減少總壓降,設(shè)計(jì)了由單通道并列分布組成的循環(huán)蛇形流場(chǎng)并建立平行流場(chǎng)、多通道蛇形流場(chǎng)以及循環(huán)蛇形流場(chǎng)燃料電池的三維穩(wěn)態(tài)模型,采用數(shù)值計(jì)算的方法,通過對(duì)電流密度、反應(yīng)物濃度和壓力分布進(jìn)行對(duì)比分析,研究了在完整流場(chǎng)結(jié)構(gòu)下具有脊下對(duì)流的循環(huán)蛇形流場(chǎng)對(duì)電池性能產(chǎn)生的影響。

1 模型描述

1.1 幾何模型設(shè)計(jì)

建立三維PEMFC幾何模型,陽極采用相同結(jié)構(gòu)的平行流場(chǎng),陰極流場(chǎng)為平行流場(chǎng)、多通道蛇形流場(chǎng)、循環(huán)蛇形流場(chǎng)，分別如圖1所示,模型建立的幾何參數(shù)參考文獻(xiàn)[6],見表1所列。

圖1 燃料電池陰極流場(chǎng)的幾何模型

表1 幾何參數(shù) 單位:mm

1.2 控制方程

燃料電池運(yùn)行時(shí),蘊(yùn)含著復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)和質(zhì)量傳遞機(jī)制,包括多孔介質(zhì)中的氣體擴(kuò)散與對(duì)流、水的生成與傳遞以及催化層中的電化學(xué)反應(yīng)等,其中的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、Maxwell-Stefan方程、電化學(xué)方程表示如下:

·(ερgug)=-SL

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:ε為孔隙度;ρg為混合氣體密度;SL為質(zhì)量源項(xiàng);ug為反應(yīng)物速度;s為液體飽和度;Su為動(dòng)量源項(xiàng);SQ為能量源項(xiàng);Pg為壓力;ji為摩爾通量;Dij為多組分?jǐn)U散系數(shù);xi為摩爾分?jǐn)?shù);R為氣體常數(shù);T為溫度;zi為某種物質(zhì)的電荷數(shù);F為法拉第常數(shù);φ為電勢(shì)。

利用Butler-Volmer方程分別將陰、陽極電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表達(dá)為過電勢(shì)的方程,即

(5)

(6)

1.3 邊界條件和模型參數(shù)

邊界條件的設(shè)置直接影響仿真結(jié)果是否正確。在數(shù)值模擬中,陰極進(jìn)口為空氣,給定混合氣體各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及進(jìn)口速度;出口設(shè)定出口壓力;固體壁面設(shè)置為邊界無滑移。計(jì)算過程中所用到的電化學(xué)物性參數(shù)及操作參數(shù)均參考文獻(xiàn)[9],具體見表2所列。

表2 電化學(xué)物性參數(shù)和操作參數(shù)

為了準(zhǔn)確地求解模型,作出如下簡(jiǎn)化與假設(shè):① 陰極與陽極流道中的氣體流動(dòng)為層流; ② 氣體混合物為不可壓縮氣體,且遵循理想氣體定律;③ 擴(kuò)散層、催化層和膜的整體均勻且各向同性;④ 電池的溫度運(yùn)行條件為恒溫353 K。

2 結(jié)果與分析

在平均電流密度為0.85 A·cm-2時(shí),陰極側(cè)流場(chǎng)通道的壓力分布如圖2所示。

圖2 流場(chǎng)通道中間平面的壓力分布

由圖2可知，3種流場(chǎng)通道的壓降分別為52、119、92 Pa。平行流場(chǎng)的壓降最低,這是由于氣體通過不同的平行流道,平行流場(chǎng)的流動(dòng)路徑比蛇形流場(chǎng)短。與多通道蛇形流場(chǎng)相比,循環(huán)蛇形流場(chǎng)相鄰流道的壓差較大，迫使氣體流經(jīng)擴(kuò)散層,減少流道內(nèi)的氣體流量,降低了黏性壓力損失,因此循環(huán)蛇形流場(chǎng)的壓降較低。

在平均電流密度為0.85 A·cm-2的條件下,陰極側(cè)流場(chǎng)擴(kuò)散層氧氣濃度分布如圖3所示。3種流場(chǎng)擴(kuò)散層平均氧氣濃度分別為3.65、4.32、4.86 mol·m-3。從圖3a可以看出，在平行流場(chǎng)中下部出現(xiàn)氧氣濃度較低的區(qū)域。這是因?yàn)榱鲌?chǎng)中存在優(yōu)先流道,氣體主要通過外圍流道,所以在中心流道氧濃度明顯降低。

圖3 擴(kuò)散層中間平面的氧氣濃度分布

從圖3b可以看出，多通道蛇形流場(chǎng)擴(kuò)散層氧氣濃度偏低。這是由于多通道蛇形流場(chǎng)相鄰流道的壓力相近,脊下氣體流速較低,擴(kuò)散在傳質(zhì)中占主導(dǎo)地位,反應(yīng)生成的水不能及時(shí)排出,氧氣擴(kuò)散受到限制。

從圖3c可以看出，與多通道蛇形流場(chǎng)相比,循環(huán)蛇形流場(chǎng)的平均氧氣濃度提高了12.5%。這是由于在循環(huán)蛇形流道相鄰流道中存在幾十到上百帕的壓差,在此壓力梯度的推動(dòng)下,氣體從壓力較高的流道通過擴(kuò)散層流到壓力較低的流道,使擴(kuò)散層中氧氣濃度升高,氣體利用率得以提高。從圖2c可以看出,在第3、4流道(從左往右數(shù))之間等相似區(qū)域壓差較大,產(chǎn)生的脊下對(duì)流明顯,提高了出口區(qū)域氧氣濃度,使氧氣分布更加均勻。

相比于平行流場(chǎng),循環(huán)蛇形流場(chǎng)是由幾組單通道蛇形并聯(lián)組成,因此具有單通道蛇形流場(chǎng)氣體流速較快的特性,能夠在大電流密度下及時(shí)帶走陰極內(nèi)的液態(tài)水,有利于氧氣的擴(kuò)散。

在工作電壓為0.4 V時(shí),3種流場(chǎng)催化層的電流密度分布如圖4所示。由圖4可知，3種流場(chǎng)的平均電流密度分別是1.05、1.21、1.31 A·cm-2。

圖4 局部電流密度分布圖

平行流場(chǎng)中,在電池中下部有一部分活化區(qū)域的電流密度偏低，僅為0.6 A·cm-2。這是由于在流場(chǎng)的中下部氧氣濃度極低,化學(xué)反應(yīng)速率減弱,導(dǎo)致整體性能下降。

多通道蛇形流場(chǎng)入口和出口區(qū)域的電流密度相差較大,這是由于隨著反應(yīng)的進(jìn)行,在流場(chǎng)尾部水濃度逐漸升高,氧氣濃度逐漸降低，并且脊下對(duì)流程度較弱,擴(kuò)散層液態(tài)水停滯,影響氧氣擴(kuò)散,使得擴(kuò)散層中氧氣分布不均勻。

在循環(huán)蛇形流場(chǎng)中,因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的脊下對(duì)流,有利于水的排除和反應(yīng)物的輸運(yùn),緩解了催化層中氧氣分布不均勻的現(xiàn)象,所以電流密度更高且分布均勻。

3種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)燃料電池的極化特性曲線如圖5所示。由圖5可知，在低電流密度區(qū)域,反應(yīng)消耗氧氣較少,流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響較小,3種流場(chǎng)的性能相差不大;在大電流密度區(qū)域,對(duì)性能起主要限制作用的是濃差極化,并且不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)濃差極化差異明顯,因此3種流場(chǎng)電池性能相差較大。

圖5 極化特性曲線

平行流場(chǎng)最先出現(xiàn)電壓陡降的情況,這是因?yàn)殡S著電流密度的增大,反應(yīng)生成水增多,出現(xiàn)水堵塞現(xiàn)象,使得反應(yīng)氣體的供應(yīng)不足以滿足負(fù)載需要,所以電池電勢(shì)下降。相比于多通道蛇形流場(chǎng),循環(huán)蛇形流場(chǎng)產(chǎn)生的脊下對(duì)流提高了氧氣在活化區(qū)域的濃度,降低了濃差極化造成的電壓損失,因此循環(huán)蛇形流場(chǎng)并沒有出現(xiàn)明顯的濃差極化。

3 結(jié) 論

本文通過數(shù)值方法,研究了3種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響,得到了電池壓力、氧氣濃度和電流密度的分布。經(jīng)過對(duì)比與分析,得出了以下結(jié)論:

(1) 與多通道蛇形流場(chǎng)相比,循環(huán)蛇形流場(chǎng)燃料電池的壓降減少了27 Pa。

(2) 與多通道蛇形流場(chǎng)相比,循環(huán)蛇形流場(chǎng)強(qiáng)化了脊下的質(zhì)量輸運(yùn)、改善了氧氣在催化層的分布,平均氧氣濃度提高了12.5%。

(3) 在工作電壓為0.4 V時(shí)與平行及多通道蛇形流場(chǎng)相比,循環(huán)蛇形流場(chǎng)電池的電流密度分別提高了24.8%和8.3%。