流道脊寬對梯形流道質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響

王琦，徐曉明，司紅磊，仝光耀

1.鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校 交通學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212018；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.鎮(zhèn)江江雨誠石管理咨詢服務(wù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212013

0 引言

近年來，隨著化石燃料能源的大量消耗，急需要尋找內(nèi)燃機(jī)的替代品。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有不受卡諾循環(huán)限制、能量轉(zhuǎn)換效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，是目前內(nèi)燃機(jī)的最佳替代新能源裝置之一[1-4]。雙極板作為PEMFC的重要組成部分，具有向膜電極組件提供反應(yīng)物氣體、為燃料電池堆提供結(jié)構(gòu)性機(jī)械支撐及電氣連接的作用，并管理電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量和水[5-6]，因此，雙極板的設(shè)計對PEMFC的性能和功率密度具有重要影響。

提高PEMFC性能有多種途徑，目前研究多集中在流道設(shè)計和水熱控制上[7-9]，關(guān)于脊對電池性能影響的研究相對較少。Shimpalee等[10]、Wang[11]研究了PEMFC在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行時的水管理問題，但文獻(xiàn)中缺乏流場設(shè)計對電池性能的影響。Oosthuizen等[12]利用有限元程序FIDAP中的單相非等溫模型研究了PEMFC脊下的輸運(yùn)及不同滲透率下通過氣體擴(kuò)散層到通道的水傳輸現(xiàn)象。Yoon等[13]在80 cm2的電池上進(jìn)行了不同脊寬的試驗(yàn)，研究不同操作條件對電池性能的影響，但試驗(yàn)中通道路徑的長度或通道的數(shù)量取決于流場板的形狀，增加了因變量。Shimpalee等[14]研究了有效面積為480 cm2的電池單體在不同濕度條件下的工況，但沒有分析不同的流場結(jié)構(gòu)對電池性能的影響。Wang等[15-16]利用三維模型研究了單蛇形流場和三蛇形流場的流道結(jié)構(gòu)對PEMFC性能的影響，發(fā)現(xiàn)在低工作電壓下，降低通道寬高比可增大氣體入口流速，能改善液水堆積現(xiàn)象并提高電池性能。Ghanbarian等[17]研究了通道高度、寬度、間距和平行通道數(shù)等參數(shù)對PEMFC局部輸運(yùn)特性的影響規(guī)律。Zehtabiyan-Rezaie等[18]通過在平行流場中改變流道傾角，研究橫截面面積對燃料電池性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)通道傾角為0.3°時，凈輸出功率比平行流道方案提高16%。Cooper等[19]通過試驗(yàn)研究了交叉指流場設(shè)計中的通道寬高比對電池性能的影響，結(jié)果表明：由于寄生泵損耗的影響，凈功率密度隨通道寬高比的減小而增大。

本文運(yùn)用流體動力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行多相流方法模擬，研究不同脊寬的梯形截面流道PEMFC在343 K下的穩(wěn)態(tài)性能，通過質(zhì)子交換膜溫度、陰極氣體擴(kuò)散層和催化層接觸面的水飽和度和氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)分析脊寬對PEMFC性能的影響規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

PEMFC的工作機(jī)理遵循質(zhì)量守恒、動量守恒、組分守恒、能量守恒和電荷守恒[20-23]。

質(zhì)量守恒方程為：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；μ為速度矢量，m/s；Sm源項(xiàng)為電化學(xué)反應(yīng)區(qū)(陽極和陰極的催化層)中反應(yīng)組分質(zhì)量的消耗或生產(chǎn)率。

動量守恒方程為：

組分守恒方程為：

式中：Xi為流體中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Di為各組分的有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；SXi源項(xiàng)為催化層中每種組分(如氧、氫和水)的消耗或產(chǎn)生速率，氣體擴(kuò)散層和氣體通道中為0。

能量守恒方程為：

式中：T為溫度，K;k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；cp為比熱容；ST為溫度方程的源項(xiàng)，表示各種歐姆熱產(chǎn)生熱量的速率，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池工作時的相變熱、化學(xué)熱和過電位。

電荷守恒方程為：

▽(σ▽φH+)=SφH+，

▽(κ▽φe-)=Sφe-，

式中：σ、κ分別為質(zhì)子和電子電導(dǎo)率，S/m；φH+、φe-分別為質(zhì)子和電子的勢；SφH+、Sφe-分別為質(zhì)子和電子流的源項(xiàng)。

2 仿真模型

2.1 網(wǎng)格劃分

圖1 PEMFC模型

通過Fluent軟件搭建PEMFC模型，如圖1所示。為得到最佳的仿真結(jié)果，劃分網(wǎng)格時采用六面體網(wǎng)格，對于梯形流道邊界、質(zhì)子交換膜和催化層等幾何形狀較為復(fù)雜和反應(yīng)劇烈的位置，網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，劃分為約91萬個網(wǎng)格，滿足總體要求。

2.2 邊界條件及參數(shù)

假設(shè)氣體是理想氣體，并且流體為不可壓縮的層流，催化層和質(zhì)子交換膜是各向同性材料。入口邊界條件為質(zhì)量流入口，出口為壓力出口。流道脊寬分別設(shè)置為0.6、0.8、1.4、1.6 mm?？紤]環(huán)境溫度為343 K，故設(shè)置流道上下端面為343 K的壁面進(jìn)行模擬[24-26]。該P(yáng)EMFC的單體開路電壓為0.95 V，實(shí)際工作電壓為0.50 V，進(jìn)氣方式為單通道同方向進(jìn)氣，幾何參數(shù)如表1所示。

表1 PEMFC的幾何參數(shù) mm

3 計算結(jié)果分析

3.1 脊寬對質(zhì)子交換膜溫度的影響

圖2 不同脊寬的質(zhì)子交換膜溫度分布云圖

質(zhì)子交換膜燃料在電池工作時放出大量熱量，導(dǎo)致電池溫度過高引發(fā)結(jié)構(gòu)損傷，使陰極的氫氣和陽極的氧氣直接接觸，降低電池性能。同時，溫度過高也會影響質(zhì)子交換膜的潤濕程度，進(jìn)而影響質(zhì)子的傳輸效率。因此，溫度是衡量PEMFC性能的重要指標(biāo)之一。

不同脊寬的質(zhì)子交換膜溫度分布云圖如圖2所示。由圖2可知：隨脊寬增大，質(zhì)子交換膜表面溫度下降；質(zhì)子交換膜溫度總是沿流道的方向逐漸降低；脊寬為0.6 mm時，質(zhì)子交換膜上高溫區(qū)域面積最大，其他脊寬的高溫面積相似；脊寬越大，質(zhì)子交換膜的溫度均勻性越好。

3.2 脊寬對水飽和度的影響

圖3 不同脊寬的水飽和度分布云圖

PEMFC產(chǎn)生電流的過程也產(chǎn)生副產(chǎn)物水，有助于質(zhì)子交換膜的潤濕，但生成的液態(tài)水如果不及時排出將阻塞氣體擴(kuò)散層的孔隙，氧氣的傳質(zhì)能力會受到極大影響，最終阻礙電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。梯形截面流道優(yōu)于矩形截面流道主要是前者的排水性能較好[27]。

不同脊寬的氣體擴(kuò)散層和催化層接觸面的水飽和度分布云圖如圖3所示。由于質(zhì)子交換膜表面溫度沿流道方向降低，使得電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣態(tài)水沿流道方向逐漸液化。由圖3可知：隨脊寬增大，沿流道方向前30 mm的水飽和度增加，尾部的水飽和度降低，說明脊寬增大有利于水的排出；隨脊寬增大，高水飽和度的面積增大；在接觸面中間靠前位置有一處低水飽和度區(qū)域，在脊寬為0.6 mm時不存在低水飽和度區(qū)域，在脊寬為0.8 mm時低水飽和度區(qū)域面積最大，隨脊寬增大，低水飽和度區(qū)域面積逐漸減小，說明該位置處液態(tài)水量較小，氧氣的潤濕不足，隨脊寬增大，這種情況會緩解。綜上所述，脊寬增大可提高電池的水管理性能。

3.3 脊寬對氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖4 不同脊寬的氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖

脊寬增大引起流道截面減小，影響PEMFC內(nèi)部燃料的傳質(zhì)能力。不同脊寬的氣體擴(kuò)散層和催化層接觸面氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖如圖4所示。由圖4可知：流道入口處氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，沿流道方向逐漸降低，脊寬越大，氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低；在流道25 mm處氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有上升趨勢，導(dǎo)致此處的水飽和度被氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)所抑制，因此圖3中水飽和度在該位置出現(xiàn)了明顯的突變；隨脊寬的增大，氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布呈現(xiàn)流道截面中間高、兩邊低現(xiàn)象，原因是脊寬增大時流道截面減小，氧氣在氣體擴(kuò)散層中傳質(zhì)時被消耗，無法擴(kuò)散到邊界處。由于PEMFC的供氣是過量供氣，因此不能只通過接觸面氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為評判電池性能的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同脊寬的電池輸出平均電流密度

不同脊寬的電池輸出平均電流密度如表2所示。由表2可知：隨脊寬增大，平均電流密度減小，脊寬增加1 mm，電流密度減少了14%。結(jié)合圖4分析可知，脊寬增大使電池兩側(cè)氧氣傳質(zhì)能力下降，導(dǎo)致電池兩側(cè)電化學(xué)反應(yīng)程度衰減，輸出電流密度降低，說明隨脊寬增大，參與反應(yīng)的氧氣量不足，需要加大氧氣的供給。

4 結(jié)論

本文通過Fluent軟件搭建PEMFC三維模型，仿真分析了脊寬對梯形截面質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響。

1)脊寬增大降低了電池質(zhì)子交換膜表面的溫度，提高了電池的溫度均勻性。

2)脊寬增大能增加電池流道靠入口位置的水飽和度，提高了電池的水管理性能。

3)脊寬增大會減少氣體擴(kuò)散層和催化層接觸面的氧氣分布，尤其是電池流道截面兩側(cè)位置，同時會降低輸出平均電流密度，因此在應(yīng)用中需提高氧氣的進(jìn)氣量來改善電池內(nèi)部的氧氣供給。