質(zhì)子交換膜燃料電池蛇形流場結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

孟慶然，劉金東，張慧良，陳海倫，田愛華

(1.吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

質(zhì)子交換膜燃料電池的蛇形流場已被廣泛應(yīng)用于流場結(jié)構(gòu)的設(shè)計當(dāng)中，由于其特殊的幾何特性，不僅可以使多條平行的流道長度相等，也能使混合氣體的流動壓降非常接近[1]，從而令反應(yīng)氣體均勻分布在燃料電池的反應(yīng)區(qū)域，盡可能提高燃料電池中燃料的利用率、優(yōu)化反應(yīng)氣體的分布以及水的排出，達(dá)到優(yōu)化燃料電池性能的目的[2-3].

從文獻(xiàn)中可以觀察到，大部分對于蛇形流道的數(shù)值研究[4-6]和實驗研究[7-9]都是采用單流道或者小活化面積，并且流道拐角處采用直角的設(shè)計形式.通過優(yōu)化設(shè)計，建立了長為5 cm、寬為5 cm、有效反應(yīng)面積為25 cm2的蛇形、圓角流場、大活化面積的PEMFC陰極模型，通過不同蛇形流道數(shù)以及拐角結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析.研究表明：單、雙、三蛇形結(jié)構(gòu)流場相比，三蛇形流場的壓力損失相對較?。粓A角流場有助于降低流道的壓降；而大的活化面積有利于物質(zhì)在流道內(nèi)的充分流動與擴散，以達(dá)到改善電池性能的目的.

1 模型的建立

1.1 幾何模型

為了分析蛇形流場燃料電池流道數(shù)與拐角結(jié)構(gòu)對電池性能的影響，建立了如圖1所示的蛇形流場質(zhì)子交換膜燃料電池陰極模型，圖形結(jié)構(gòu)以三蛇形燃料電池流場陰極結(jié)構(gòu)模型為例進(jìn)行說明.

圖1 三蛇形燃料電池陰極結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)子交換膜燃料電池的電化學(xué)動力學(xué)方程有許多，其中在流道內(nèi)需要具備一定壓力差(壓降)，才能保證反應(yīng)氣體的流動與擴散，進(jìn)而提高反應(yīng)速率.在流體力學(xué)中，流動壓損主要包括：沿流道的壓力損失，如公式(1)所示；局部壓力損失，如公式(2)所示.

沿流道壓力損失：

(1)

式中：l、d分別為流道長和當(dāng)量直徑；ρ、v、λ分別為流體密度、平均流速和沿程阻力系數(shù).

局部壓力損失：

(2)

式中：ξ為局部阻力系數(shù).

在COMSOL Multiphysics軟件中插入上述方程，并對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.

1.3 邊界條件和物性參數(shù)

模擬中所用到的主要邊界條件和物性參數(shù)，如表1所示.

表1 模擬中主要的邊界條件和物性參數(shù)

1.4 模型的假設(shè)

模型基本假設(shè)為：1.只考慮陰極側(cè)電池的運行狀態(tài)；2.電池處于70 ℃等溫、穩(wěn)定的工作狀態(tài)；3.設(shè)置出口背壓均為0 atm；4.多孔擴散層為各向同性.

1.5 網(wǎng)格劃分

對于仿真建模來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個步驟.網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計算的精度與速度，合理地網(wǎng)格劃分，能夠在保證結(jié)果準(zhǔn)確的前提下快速得出模擬結(jié)果.由于燃料電池不同區(qū)域結(jié)構(gòu)、作用都有所差異，對網(wǎng)格的要求也會不同，因此，根據(jù)所需要的分辨率對不同區(qū)域進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分是非常有必要的.表2為三蛇形燃料電池陰極的網(wǎng)格劃分信息；圖2為模型的網(wǎng)格劃分圖.

表2 模型網(wǎng)格劃分信息

圖2中的模型共包含約15萬個單元數(shù)，約15萬個網(wǎng)格頂點等.而且在蛇形流道的圓角區(qū)域處的網(wǎng)格劃分比較細(xì)密，因為這些部分要考慮氣體在流向相反的流道之間的對流效應(yīng)，因此需要更高的分辨率.

2 蛇形流場結(jié)構(gòu)對電池性能的影響

2.1 蛇形流道數(shù)對流道內(nèi)壓降的影響

在入口速度為6 m·s-1，工作壓力為1 atm時，分析了單、雙和三蛇形結(jié)構(gòu)的燃料電池流道內(nèi)壓力分布情況，如圖3所示.各流道進(jìn)口壓力、出口壓力及壓力差(壓降)數(shù)值如表3所示.

流道入口到出口距離/m圖3 不同流道數(shù)電池內(nèi)壓降分布圖

流道進(jìn)出口之間的壓力差(壓降)可以表征流道內(nèi)流動阻力的大小，由圖3及表3中的數(shù)據(jù)可知，單、雙和三蛇形結(jié)構(gòu)的流道進(jìn)出口之間的壓力差(壓降)分別為：5 835.321 6 Pa、4 371.244 6 Pa、3 116.731 4 Pa；單蛇形流場陰極流道進(jìn)出口的壓力差(壓降)要明顯高于雙蛇形和三蛇形流道.

表3 不同流道數(shù)電池內(nèi)壓降分布數(shù)據(jù)

壓力差(壓降)隨著流道數(shù)的增多而減小的主要原因在于兩個方面，一個是流體的流程；另一個是流道拐角數(shù).從流體在流道中的流程來看：單蛇形>雙蛇形>三蛇形，3種蛇形相比流程較長的流道中，外界對它提供更大的壓力才能將氣體從電池中排出；而流道拐角處會增加流場的壓力損失，蛇形流道數(shù)越少流場拐角就會越多，壓損大，因而壓力差(壓降)較高.因此，蛇形燃料電池可以通過增加蛇形流道數(shù)來減少流道拐角的數(shù)量，在降低氣體流程的同時，將壓力差(壓降)控制在合理的范圍內(nèi).這樣電池系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)、額外的功率損耗都會隨之減小，電池整體的性能也會得到改善.這與陳士忠[10]所得結(jié)論一致.

通過上述蛇形流場中流道數(shù)對電池性能影響的模擬，驗證了模型的有效性.基于此模型進(jìn)一步模擬蛇形流場拐角結(jié)構(gòu)對電池性能的影響，模擬結(jié)果與分析如下.

2.2 拐角結(jié)構(gòu)對流道內(nèi)速度影響

在電池電壓為0.6 V，入口速度為4 m·s-1時，分析了圓角和直角拐角結(jié)構(gòu)對電池流道內(nèi)流速的影響，如圖4(a)、(b)所示；圓角拐角和直角拐角處流速的局部放大圖，如圖4(c)、(d)所示.

(a)圓角流道流速

(b)直角流道流速

(c)圓角

(d)直角圖4 不同拐角結(jié)構(gòu)電池流道內(nèi)的流速

從圖4(a)、(b)可以看出，相同橫截面的流道，圓角流道的流速比直角流道的流速要大得多，并且從圖4(c)、(d)可以發(fā)現(xiàn)兩種拐角結(jié)構(gòu)的流速在拐角位置的流速差異表現(xiàn)得最為明顯，圓角流道的拐角處的流速比直角流道拐角處的流速要快得多，這是由于圓角流道效應(yīng)所起的作用.

圖5為在不同圓角拐點和直角拐點處的速度分布曲線.

拐點圖5 不同拐點處的流速分布曲線

從圖5可清晰地看出，在圓角拐角和直角拐角每一個相對應(yīng)的拐點處，圓角拐角速度均大于直角拐角的速度，并且從拐點1到拐點5的速度是逐漸增大的.主要是由于從流道入口到出口方向氣體壓強逐漸減小，越靠近流道出口位置，蛇形流道的流程就會越短，流道尾部對氣體的流動阻力會減小，從而使氣體的流動速度有所提高，更有利于電池中水的排出，提高了燃料電池的排水性能.

綜合以上對于不同拐角結(jié)構(gòu)速度的分析：對于直角流道，在拐角處存在一個直角彎，此處即為氣體流動的一個緩沖區(qū)，這樣在壁面黏附力的作用下，將會使流動氣體聚集、堵塞流道，最終導(dǎo)致其不能充分?jǐn)U散，流速下降；而對于圓角流道，相當(dāng)于一個流線型圓弧彎道，這樣流動的氣體少了一個聚集的場所，就會使氣體在流道內(nèi)沒有阻礙地流動，均勻分布于流道內(nèi)，從而帶動了流道內(nèi)整體流速高于直角流道的流速.因此，流道中使用圓角結(jié)構(gòu)的拐角更能優(yōu)化電池的性能.

3 結(jié) 論

通過對蛇形流場燃料電池不同蛇形流道數(shù)和拐角結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：

(1)蛇形流場燃料電池單、雙、三蛇形結(jié)構(gòu)流場相比，三蛇形流場的壓力損失相對較?。?/p>

(2)蛇形燃料電池拐角處設(shè)計為圓角結(jié)構(gòu)時，能更好地提高電池的整體流速，進(jìn)而提高電池性能；

(3)蛇形燃料電池大的活化面積有利于物質(zhì)在流道內(nèi)的充分流動與擴散，以達(dá)到改善電池性能的目的.