燃料電池石墨雙極板的流道分析與研究

王騰飛，戴永謙，李沅賽，王 鑫

燃料電池石墨雙極板的流道分析與研究

王騰飛1，戴永謙2，李沅賽3，王 鑫4

（1. 海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）汽車學(xué)院，山東威海 264209；3. 海后軍需能源質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100841；4. 海軍91638部隊(duì)，北京 102202）

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件建立了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）流體域的物理模型，并對(duì)其進(jìn)行了模擬分析。對(duì)于由PEMFC陽極側(cè)極板的平行流道改進(jìn)而成的波浪形流道，通過對(duì)模擬計(jì)算得到的壓力分布、進(jìn)出口壓降、流道流量分布與流量差異性、流道流速分布與流速差異性的分析，提出對(duì)極板的優(yōu)化方案。對(duì)優(yōu)化后的方案的流體域模型進(jìn)行模擬分析，并將計(jì)算得到的性能參數(shù)與優(yōu)化前模型的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，優(yōu)化的模型流道流量分布更均勻，流量差異性減小了，進(jìn)出口壓降減小了。為PEMFC陽極流場的研究提供一定的參考。

質(zhì)子交換膜燃料電池 流道 極板 波浪形流道

0 引言

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能不經(jīng)燃燒直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1]。雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的主要部件之一，其流道幾何形狀根據(jù)每個(gè)燃料電池的需要和設(shè)計(jì)而各不相同[2-4]。具體幾何形狀對(duì)燃料電池的性能也至關(guān)重要。流場結(jié)構(gòu)決定反應(yīng)劑與生成物在流場內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)合理的流場可以使電極各處均能獲得充足的反應(yīng)劑并及時(shí)把電池生成水排出，保證燃料電池具有較好的性能和穩(wěn)定性。雙極板流場結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以幫助降低質(zhì)子交換膜燃料電池成本并提高性能。改善流道結(jié)構(gòu)布局和采用輕質(zhì)材料降低燃料電池堆重量、體積和成本已成為促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵。雙極板流場結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)的方法勢必耗時(shí)耗財(cái)耗力，而通過計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真模擬計(jì)算則快捷高效很多，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此作了大量研究工作[5-10]。

1 計(jì)算模型

由于模型的計(jì)算區(qū)域較大，為了減少計(jì)算量，流體域模型假設(shè)如下：1）流動(dòng)氣體為理想不可壓縮氣體；2）燃料進(jìn)氣為純氫氣；3）忽略重力的影響；4）流動(dòng)為三維定常流動(dòng)；5）系統(tǒng)恒溫。雙極板的流體域的基本方程主要包括適量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，這三個(gè)方程用于對(duì)流體的控制。其中，定常流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程為：

動(dòng)量守恒方程為：

能量守恒方程為：

恒溫定常流動(dòng)的能量源項(xiàng)為：

流體域模型的形式如圖所示。流體域有5條總流道，共計(jì)50條分流道?？偭鞯缹挾?.3 mm，深度為0.5 mm。網(wǎng)格劃分如2所示，網(wǎng)格類型為多面體網(wǎng)格，整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)目為263621。

圖2 波浪形流場流體域模型網(wǎng)格劃分及局部示意圖

2 仿真結(jié)果及分析

對(duì)圖2所示模型的流道進(jìn)行編號(hào)，總流道自右而左依次為1至5總流道面平面，而每一總流道自下而上以此為1至10分流道。進(jìn)行取樣所得各總流道的分流道流量數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析。圖3和圖4所示分別為各總流道下，各分流道氣體流量和流速分布。

圖3 各總流道的分流道流量分布

圖4 各總流道的分流道流速分布

由圖3和圖4可見，各總流道的分流道流量和流速均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。位于中部的分流道的流量和流速較小，出現(xiàn)了反應(yīng)氣體供應(yīng)不足的現(xiàn)象，而兩側(cè)的分流道流量和流速則較為均勻。中間三個(gè)總流道流量和流速的最大值與最小值之間的差值要比總流道1和5的小。原因是結(jié)構(gòu)上中間三個(gè)總流道并沒有總流道1和5的急轉(zhuǎn)角?？偭鞯?的分流道流量和流速與總流道1的呈現(xiàn)近似對(duì)稱的情況，是因?yàn)榭偭鞯?的結(jié)構(gòu)和形狀與總流道1的結(jié)構(gòu)和形狀關(guān)于中心平面近似對(duì)稱，因此才出現(xiàn)分流道流量和流速分布曲線近似對(duì)稱的現(xiàn)象。

圖5和圖6所示分別為各總流道下，各分流道氣體流量差異性和流速差異性分布。可見，各總流道的分流道流量和流速差異性總體波動(dòng)較大，說明氣體沿流動(dòng)前進(jìn)方向流量分布不均，影響反應(yīng)氣體濃度的分布均勻性。同樣是中間三個(gè)總流道下的分流道流量和流速差異小于兩側(cè)的?？偭鞯?的分流道流量流速差異曲線與總流道1類似，但是前者的差異性波動(dòng)幅值比后者的大，說明總流道5沿流動(dòng)前進(jìn)方向的流量差異較總流道1的大，是因?yàn)槠溥M(jìn)口后總流道的長度遠(yuǎn)大與總流道1的，能夠減少從進(jìn)口流道流出后的速度損失，因此分配到分流道的起始速度都較大。

圖5 各總流道的分流道流量差異

圖6 各總流道的分流道流速差異

圖7所示為流場流體域的壓力云圖。可見，流道中水平方向的分流道的壓力在沿著氣體的前進(jìn)方向不斷向下降，沿豎直方向從下往上各總流道的分流道的壓力下降較為均勻，而總流道之間存在階梯的壓力降。整體上看，并沒有存在壓力驟降的現(xiàn)象，這能夠使反應(yīng)氣更容易擴(kuò)散，有效促進(jìn)氣體在擴(kuò)散層的流動(dòng)，說明各流道的壓降分布比較均勻。這樣就不會(huì)造成燃料電池工作時(shí)，空壓機(jī)的功率加大，造成外加功耗變大，燃料電池系統(tǒng)性能下降。

圖7 波浪形流場流體域的壓力云圖

3 流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)原結(jié)構(gòu)流場分布特點(diǎn)，在保留同樣邊界條件下，對(duì)流道結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，本文提出了兩種改進(jìn)方案。方案一，將模型各總流道寬度由1.3 mm增至1.5 mm；方案二，將模型各總流道寬度由1.3 mm增至1.7 mm，且在各總流道末端做收縮處理。原模型與改進(jìn)方案的模型如圖8所示。

圖8 改進(jìn)前后流道模型

改進(jìn)前后各總流道進(jìn)出口壓降柱狀圖如圖9所示，可見，優(yōu)化方案2的進(jìn)出口壓降低于優(yōu)化方案1的，而優(yōu)化方案1的進(jìn)出口壓降低于原模型的。進(jìn)出口壓降的減小，能過夠使得功率損耗變小，則使得電堆的效率就相對(duì)提高，從而達(dá)到提高燃料電池性能的目的。進(jìn)出口壓降的減小，可以有效降低傳輸額外的功耗，提高氣體在擴(kuò)散層內(nèi)的均勻分配性。因?yàn)楫?dāng)進(jìn)氣量相同時(shí)，進(jìn)氣功耗是與進(jìn)氣的壓降成正比的[11]。

圖10和圖11分別示出了方案一和方案二流場區(qū)域的壓力云圖?？梢?，與圖7相比，方案一和方案二的壓降都比原模型的小，且方案二的斜角處的壓力并沒有出現(xiàn)驟變的現(xiàn)象，與方案一的及原模型的幾乎一樣。

4 結(jié)論

圖9 各總流道的壓降分布

圖10 方案一的壓力云圖

圖11 方案二的壓力云圖

利用流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)波浪形流場的質(zhì)子交換膜燃料電池陽極側(cè)流道進(jìn)行模擬計(jì)算，考察了流場的流量流速分布以及差異性、進(jìn)出口壓降和總流道壓降、壓力分布等。在此基礎(chǔ)上提出流道改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)后的流體域模型進(jìn)行模擬計(jì)算，與原來的模型進(jìn)行對(duì)比。得出以下結(jié)論：

1）原波浪形流道流量分布不均，各總流道中部分流道的流量和流速較小，造成反應(yīng)氣供應(yīng)不足的現(xiàn)象。流道流量以及流速的差異性波動(dòng)較大。

2）將總流道加寬簡單為1.5 mm的改進(jìn)方案一，流量分布均勻度比原模型略有提升，兩側(cè)流道流速有所降低，而中部流道流速有所提升。從數(shù)據(jù)對(duì)比看，改進(jìn)方案一的流道流量差異性較原模型只略微減小，效果并不明顯。

3）將總流道加寬為1.7 mm，并在總流道后面做收縮處理的改進(jìn)方案二，流道流量分布比改進(jìn)方案一均勻，其兩側(cè)流道流速更多的分配到中部流道，從而使得氣體分布更為均勻，流量差異性較前兩者都小。出現(xiàn)的后面分流道流量流速差異性較同一總流道的其他分路流道的大多因?yàn)樾苯菂^(qū)域流道尺寸的變化。

4）隨著總流道的流道寬度的增加，模型的進(jìn)出口壓降在減小，總流道壓降也在減小，從而減小了氣體供應(yīng)的功耗，相對(duì)提高了電池的效率，從而提高了電池的性能。

[1] 侯明, 衣寶廉. 燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2016, 34(6): 52-61.

[2] Sainan K I, Atan R, Husain H, Mohamed W A N W. Computational model analysis on a bipolar plate flow field design of a PEM fuel cell[P]. Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO), 2011 5th International, 2011: 133-138.

[3] 冷巧輝. PEMFC交叉型流場的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 浙江: 浙江工業(yè)大學(xué), 2013.

[4] 毛宗強(qiáng). 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板[J]. 燃料電池, 2005, 3: 33-47.

[5] Juarez R D, Hernandez G A, Damian A. Three dimensional analysis of a PEM fuel cell with the shape of a fermat spiral for the flow channel configuration. In: Paper presented at the ASME Internatioal Mechanical Engineering Congress and Exposition. November 2-6, 2008. Boston, Massachusetts, USA: 1-10

[6] Xiaoqing Zhang, Jiapei Yang, Xiao Ma. etc. Numerical investigation of water dynamics in a novel wettability gradient anode flow channel for proton exchange membrane fuel cells[J]. Energy Research. 2020(20): 10282-10294.

[7] 韓建, 崔龍, 蘇中輝, 等. 燃料電池雙極板流道尺寸數(shù)值仿真[J]. 汽車文摘. 2020(8): 22-27.

[8] 楊家培, 馬曉, 雷體蔓, 等. 燃料電池?cái)U(kuò)散層與流道中液態(tài)水傳輸數(shù)值模擬與協(xié)同優(yōu)化[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2019, 59(7): 580-586.

[9] 徐一凡, 彭林法. 燃料電池流道內(nèi)液滴流動(dòng)建模與分析[J]. 電源技術(shù). 2019, 43(5): 815-818.

[10] 孟慶然, 田愛華, 陳海倫, 等. 質(zhì)子交換膜燃料電池流道尺寸的數(shù)值模擬[J]. 吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2020, 37(3): 48-52.

[11] 劉志春, 涂正凱, 周兵, 劉偉. 質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氣場設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2012, 33(8): 1375-1379.

Analysis and Research on Flow Channel of Graphite Bipolar Plate of Fuel Cells

Wang Tengfei1, Dai Yongqian2, Li Yuansai3, Wang Xin4

(1. Marinre Equipment Project Management Center, Beijin 100071, China; 2. Harbin Institute of Technology, School of Automotive Engineering, Weihai 264209, Shandong, China; 3. Post-sea Military Energy Quality Supervision Station, Beijin 100841, China; 4. Navy Unit 91638, Beijin 100841, China)

TM911.4

A

1003-4862（2021）10-0024-04

2021-08-19

王騰飛(1988-)，男。研究方向：動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)，動(dòng)力裝備研究。