開孔率對臺(tái)階形流道性能影響研究

趙富強(qiáng)，張彥雷,2，董洪泉，丁小鳳，閆永臣

(1.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西太原030024；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊261069；3.大同新研氫能源科技有限公司，山西大同037399)

流場設(shè)計(jì)是針對質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)極板流場開孔率、幾何形狀、幾何尺寸等方面的研究，是雙極板設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容[1]。開孔率指流場內(nèi)流道面積占流道與脊背面積之和的比例[2]，是PEMFC 性能優(yōu)化的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，是影響PEMFC 的傳質(zhì)、流場排水性和電化學(xué)反應(yīng)性能的關(guān)鍵因素。在新極板構(gòu)型的設(shè)計(jì)開發(fā)中，針對極板開孔率的研究是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有針對開孔率的研究主要集中在探究不同流道和脊背占比對等截面流道性能的影響。COOPER 等[3]研究了流道和脊部寬度對PEMFC 性能的影響，研究表明在平行流場中，可以通過減小流道和脊背的寬度來提升流場性能。張海峰等[1]研究了幾何尺寸和開孔率對平行流場性能的影響，揭示了在采用空氣作為反應(yīng)介質(zhì)時(shí)，開孔率越大電池性能越好；在相同開孔率的情況下，流道尺寸越小電池性能越好的規(guī)律。JEON[4]探究了交指流場流道和脊背寬度對水遷移的影響，結(jié)果表明較高的流道和脊背寬度能避免氣體擴(kuò)散層脊背下積水，但是可能導(dǎo)致極板傳質(zhì)性能受到限制。唐嘉鈺等[5]通過對不同脊槽比、寬度的單通道電池進(jìn)行研究，分析了陰極極板構(gòu)型對空冷電堆傳質(zhì)和傳導(dǎo)特性的影響，得到空冷電堆脊槽比為3 時(shí)輸出電壓性能最佳的結(jié)論。吳孟飛等[6]研究了流道與脊背寬度對蛇形流場性能的影響，得出相對最優(yōu)流道寬度與脊背寬度為1 mm 的結(jié)論。上述研究表明：開孔率對平行、蛇形、交指等等截面流道的性能均有重要影響，不同開孔率對流道的電化學(xué)、水管理等性能影響效果并不相同，需從不同角度來選擇合適的流場開孔率。

針對變截面流道開孔率的研究相對較少，WANG 等[7]提出了一種不同寬度的錐形流場，通過實(shí)驗(yàn)和仿真研究，證明流道寬度逐漸減小的錐形流場可以顯著提高流道除水能力，提升電池在高電流密度下的性能。HU 等[8]研究了變截面寬度對甲醇燃料電池蛇形流場性能影響，研究表明非均勻收斂設(shè)計(jì)改善了甲醇濃度和電流密度的均勻性，電池發(fā)電性能提升18.4%。然而，不同流道截面變化形式對電池產(chǎn)生的影響規(guī)律并不相同，需根據(jù)流道實(shí)際結(jié)構(gòu)來分析變截面對電池性能影響規(guī)律。

臺(tái)階形流道是一種通過在流道中設(shè)置臺(tái)階面使流道面積發(fā)生變化的局部變截面流道[9]，為了研究這種變截面流道，給定氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜厚度條件時(shí)，開展不同開孔率下電池極板性能的研究，通過分析陰極氧氣濃度分布、陰極水濃度分布和極化曲線的變化情況，探討臺(tái)階形流道開孔率對流場內(nèi)傳質(zhì)、排水性和電化學(xué)性能方面的影響。

1 臺(tái)階形流道模型

1.1 幾何模型

臺(tái)階形流道模型如圖1所示，當(dāng)陽極流道中的氫氣經(jīng)由流道深度較高的區(qū)域流向流道深度較低區(qū)域時(shí)，流道中氫氣壓力減小，流速增大，有利于流道內(nèi)增濕氣體的擴(kuò)散；相似的，當(dāng)陰極流道中的氧氣經(jīng)由流道深度較高的區(qū)域流向流道深度較低區(qū)域時(shí)，流道中氧氣壓力減小，流速增大，有利流道后段生成水的排出。臺(tái)階間氣體擾流特性增加，促使反應(yīng)氣體向氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散，到達(dá)催化層，提高反應(yīng)氣體的利用率[9]。

圖1 臺(tái)階形流道模型示意圖

現(xiàn)階段Toray、臺(tái)灣碳能等企業(yè)制造的氣體擴(kuò)散層厚度為0.09～0.38 mm[10-11,15]，豐田等企業(yè)催化層厚度為0.002～0.018 mm[12,15]，Gore、科慕等企業(yè)質(zhì)子交換膜厚度為0.008～0.254 mm[13-15]。結(jié)合實(shí)際厚度并參考文獻(xiàn)[16-19]，設(shè)定模型中陰極和陽極氣體擴(kuò)散層厚度為0.38 mm，陰極和陽極催化層厚度為0.05 mm，質(zhì)子交換膜厚度為0.1 mm，上述參數(shù)也可依據(jù)實(shí)驗(yàn)的各參數(shù)設(shè)定，以提高燃料電池性能。其他模型結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定見表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 模型假設(shè)

仿真過程設(shè)定理想氣體以層流狀態(tài)流入穩(wěn)態(tài)恒溫燃料電池，陰、陽極的反應(yīng)氣體不穿透質(zhì)子交換膜；多孔介質(zhì)為各向同性且為勻質(zhì)狀態(tài)；陽極只有氫氣和水，陰極只有氧氣、氮?dú)夂退?，反?yīng)產(chǎn)物為氣態(tài)水。

1.3 控制方程

燃料電池流體力學(xué)仿真基本方程如下。

(1)質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；μ為速度向量；ε為多孔介質(zhì)孔隙率。

(2)動(dòng)量守恒方程：

式中：α表示氣體組分，分別為O2、H2、N2和H2O；C為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；等式右半部分為相內(nèi)擴(kuò)散項(xiàng)。

(3)能量守恒方程：

對于氣體擴(kuò)散層有：

對于質(zhì)子交換膜有：

式中：λeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)；cp為定壓比熱容，J/(kg·K);σe為電子電阻，Ω；κp為質(zhì)子電阻，Ω；T為溫度，K。

(4)組分守恒方程：

式中：γα為多相修正系數(shù)；D為擴(kuò)散系數(shù)。

2 仿真

考慮到流場的周期重復(fù)性，為減小計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間，選取單流道為計(jì)算區(qū)域[5]，氣體流動(dòng)方向?yàn)橛蚁轮磷笊希?jì)算區(qū)域如圖2所示。仿真過程中，通過固定流道寬度為1 mm，改變脊背寬度w2來探究不同開孔率下電池性能，仿真方案如表2。

圖2 計(jì)算區(qū)域

表2 仿真方案

設(shè)定氣體入口邊界處，混合氣體中氧氣和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.8%、2.3%，反應(yīng)氣體相對濕度設(shè)定為100%；陰極和陽極進(jìn)氣速度分別為0.446 和0.185 m/s，氫氣化學(xué)計(jì)量比為1.3，氧氣化學(xué)計(jì)量比為2[20]。在氣體出口邊界，以大氣壓力為參考值，給定出口壓力。電池陰極側(cè)極板表面電勢為工作電壓；電池陽極側(cè)下表面電勢設(shè)為0 V。

3 結(jié)果與討論

3.1 氧氣濃度分布

5 種方案的臺(tái)階形流道氧氣濃度變化如圖3所示。其中電池電壓為0.4 V，圖中取值面位置為陰極催化層中間面，曲線取值位置為陰極流道中心線。

圖3 不同開孔率下陰極催化層氧氣濃度分布

由圖3 可知，在流道寬度為1 mm 的前提下，脊背寬為0.6 mm 的流道氧氣含量最多，其氧氣濃度差值為4.37 mol/m3。其余流道氧氣含量隨開孔率的增加而遞減，其氧氣濃度差值分別為4.66、4.78、4.721 和4.647 mol/m3。氧氣濃度差的大小可以反映催化層中氧氣分布的均勻性，濃度差越小，流道傳質(zhì)能力越強(qiáng)，可以推遲濃差極化的出現(xiàn)，進(jìn)而提升PEMFC 性能。方案(a)的氧氣含量最高，氧氣分布最為均勻，方案(b)次之，其他方案在氧氣含量和氧氣濃度差方面表現(xiàn)相對較差。

3.2 陰極水濃度分布

相同條件下，5 種方案的臺(tái)階形流道陰極水濃度變化如圖4所示。圖中，單元電池電壓取值為0.4 V，流道陰極水濃度切面過陰極流道中心線。

圖4 表明，方案(a)水濃度差值最小，為8 mol/m3；其次是方案(b)，水濃度差為8.55 mol/m3；方案(e)在5 組方案中水濃度差值最大，為9.45 mol/m3。陰極流道內(nèi)水濃度差隨著開孔率的增加而增加，而流道內(nèi)水濃度越高，流道內(nèi)的水越容易液化堆積，引起“水淹”現(xiàn)象的出現(xiàn)。由圖中水濃度差值可知，低開孔率的流道排水性能更好，不易出現(xiàn)“水淹”現(xiàn)象。

圖4 不同開孔率下陰極流道水濃度分布

3.3 極化曲線

相同條件時(shí)，5 種臺(tái)階形流道的極化曲線如圖5所示。PEMFC 輸出電流越多，電池的電壓輸出就會(huì)相應(yīng)地降低，從而限制PEMFC 可釋放的總功率。由電壓-電流曲線和功率密度曲線組合圖可知，對于功率密度而言，5 種方案的流道均在0.4 V 左右的電壓下達(dá)到峰值。方案(a)的功率密度峰值為0.358 W/cm2，方案(b)的功率密度峰值約為0.347 W/cm2，方案(e)的功率密度峰值約為0.283 W/cm2。方案(a)相較方案(e)功率密度峰值提升26.5%。

圖5 電壓-電流（V-I）、功率密度（P-I）曲線組合圖

對于電流密度而言，單位電壓下降幅度下，方案(a)流道電流密度增加最快，方案(b)流道次之，方案(e)流道增加最慢。方案(a)在電池電壓為0.4 V 時(shí)，電流密度約為0.89 A/cm2左右，方案(b)流道在0.4 V 時(shí)的電流密度為0.86 A/cm2左右，而方案(e)流道在0.4 V 時(shí)的電流密度為0.76 A/cm2左右；方案(a)相較方案(e)電流密度提升17.1%。

4 結(jié)論

本文針對一種臺(tái)階形流道，通過構(gòu)建多物理場仿真模型，研究5 種不同開孔率對臺(tái)階形流道性能影響規(guī)律。

(1)極板構(gòu)型可直接影響臺(tái)階形流道的氧氣濃度和氧氣濃度差，開孔率為62.5%的臺(tái)階流道氧氣濃度更高，氧氣濃度差更小。開孔率在62.5%～40%時(shí)，開孔率越高，流道內(nèi)水濃度越低，電池排水性能越好，水分布也會(huì)更均勻。

(2)5 種開孔率的流道均在0.4 V 左右的電壓下達(dá)到功率密度峰值，相同電壓下降幅度下，開孔率較高的流道電流密度增加更快；相同流道寬度的條件下，開孔率為62.5%的流道相較于開孔率為40%的流道功率密度峰值提升26.5%，電流密度提升17.1%。