流線型擋板對PEMFC 性能的影響

孫 峰，蘇丹丹，2，殷宇捷

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071002；2.河北省新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)輕量化技術(shù)創(chuàng)新中心，保定 071000）

質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）是一種將反應(yīng)氣體中的電化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)，具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可靠性高、排放低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。雙極板是PEMFC 的關(guān)鍵部件之一，起到機(jī)械支撐、傳導(dǎo)電流以及分配反應(yīng)氣體等作用[3-4]。雙極板兩側(cè)刻有陰陽極流場，流場中的流道結(jié)構(gòu)是反應(yīng)氣體的流動(dòng)通路[5]。因此，合理的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對改善PEMFC的傳質(zhì)特性及輸出性能至關(guān)重要[6-7]。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在流道內(nèi)添加擋板可有效強(qiáng)化反應(yīng)氣體的傳輸效果，降低由濃差極化造成的電壓損失，提升PEMFC 輸出性能[8-10]。Ghanbarian 等[11]研究了矩形、圓形和梯形擋板對PEMFC 性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在流道內(nèi)添加梯形擋板能有效提高PEMFC 的凈功率密度。Lin 等[12]對擋板尺寸與形狀對PEMFC 輸出性能及傳質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與無擋板流道相比，在流道內(nèi)添加矩形擋板時(shí)PEMFC 性能提高了30%。此外，當(dāng)擋板形狀為半橢圓或1/4 橢圓時(shí)，能有效增大氧氣的擴(kuò)散面積，Liu 等[13]設(shè)計(jì)了一種新型鰭狀擋板，研究發(fā)現(xiàn)，在流道內(nèi)添加新型鰭狀擋板可提高氣體擴(kuò)散層表面液滴的去除效率；Zhang 等[14]提出了一種楔形擋板，并研究了楔形擋板體積對PEMFC 性能的影響，結(jié)果表明：在流道內(nèi)添加楔形擋板能有效提升PEMFC 性能；增加楔形擋板體積，降低了陰極通道出口區(qū)域的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改善了PEMFC 的排水效果，提高了PEMFC 功率密度的增長速率；Yin 等[15]研究了矩形擋板的數(shù)量及高度對PEMFC輸出功率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)矩形擋板數(shù)量為5、高度占流道高度80%時(shí)，PEMFC 凈輸出功率比無擋板流道提高了9.39%。Wang 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)梯形擋板在單直流道內(nèi)采用交錯(cuò)分布時(shí)，與采用平行分布相比，強(qiáng)化了反應(yīng)氣體的傳質(zhì)效果，PEMFC 最大凈功率提高了2.54%。Wang 等[17]研究了三蛇形流場中矩形擋板的排列方式對PEMFC 性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在靠近流場出口區(qū)域添加矩形擋板，可提高擴(kuò)散層與催化層界面處的反應(yīng)物氣體濃度分布均勻性，并且在整個(gè)蛇形流場中添加擋板時(shí)，PEMFC 電流密度最大。

由上述研究可知，擋板的形狀及擋板在流道內(nèi)的排列分布方式對對強(qiáng)化反應(yīng)氣體傳質(zhì)及提升PEMFC 輸出性能具有顯著作用，不同的擋板結(jié)構(gòu)對PEMFC 性能的影響存在差異。而且常規(guī)擋板容易導(dǎo)致反應(yīng)氣體流動(dòng)阻力過大，并在擋板后方產(chǎn)生渦流。本文提出了一種流線型擋板，利用流線型迎風(fēng)面以及流線形背風(fēng)面，可以有效減小反應(yīng)氣體流動(dòng)阻力，并消除擋板后方的渦流。此外，研究了流線型擋板的背風(fēng)面長度對直流道內(nèi)氧氣流速及氧氣通量的影響。最后，分析了流線型擋板的在平行流場中的分布方式（平行分布與交錯(cuò)分布）對流場內(nèi)氧氣壓力分布、擴(kuò)散層中氧氣濃度分布以及極化曲線的影響。

1 PEMFC 模型

1.1 幾何模型

建立了包含陰陽極流道、擴(kuò)散層、催化層及質(zhì)子交換膜的三維PEMFC 直流道模型，如圖1（a）所示。在直流道內(nèi)添加矩形擋板（圖1（b）），研究了矩形擋板對PEMFC 性能的影響。

圖1 PEMFC 直流道幾何模型Fig.1 Geometric model of straight flow channel in PEMFC

通過分析氧氣在矩形擋板附近的流動(dòng)狀態(tài)，對矩形擋板進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了如圖2 所示的流線型擋板，并通過改變R3及γ 得到具有背風(fēng)面長度為Lt的流線型擋板，具體設(shè)計(jì)方案見表1。

圖2 流線型擋板示意Fig.2 Schematic of streamlined baffles

表1 流線型擋板設(shè)計(jì)方案Tab.1 Design schemes for streamlined baffles

最后建立了平行流場幾何模型，如圖3 所示。具有10 條直流道的平行流場模型，如圖3（a）所示。在平行流場每條流道中添加4 個(gè)流線型擋板，設(shè)計(jì)了2 種具有不同擋板分布方式的平行流場，其中，圖3（b）為流線型擋板在平行流場中采用平行分布的PEMFC 模型，圖3（c）為流線型擋板在平行流場中采用交錯(cuò)分布的PEMFC 模型。

圖3 平行流場幾何模型Fig.3 Geometric model of parallel flow fields

PEMFC 模型的幾何參數(shù)與操作條件見表2。

表2 PEMFC 模型的幾何參數(shù)及操作條件Tab.2 Geometric parameters and operating conditions of PEMFC model

1.2 模型假設(shè)

本文做出如下假設(shè)：①PEMFC 穩(wěn)定運(yùn)行；②模型內(nèi)為單相流動(dòng)；③反應(yīng)氣體為理想氣體；④反應(yīng)氣體流動(dòng)為層流；⑤多孔介質(zhì)材料為各向同性。

1.3 控制方程

質(zhì)量守恒方程為

式中：ε 為孔隙率；ρ 為氣體密度，kg/m3；u 為氣體速度矢量，m/s；Sm為質(zhì)量源項(xiàng)，kg/（m·s）。

動(dòng)量守恒方程為

式中：p 為反應(yīng)氣體壓強(qiáng)，Pa；μ 為反應(yīng)氣體動(dòng)力粘性系數(shù)，N·s/m3；Su為動(dòng)量源項(xiàng)，N/m3。

能量守恒方程為

式中：cp為定壓比熱容，J/（kg·K）；keff為有效熱導(dǎo)率，W/（m·K）；SQ為能量源項(xiàng)，W/m3；T 為反應(yīng)溫度，K。

組分守恒方程為

式中：ck為組分濃度，kg/m3；Di為組分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Si為組分源項(xiàng)，kg/（m·s）。

電化學(xué)方程為

式中：iref，a為陽極體積參考交換電流密度，A/m2；iref，c為陰極體積參考交換電流密度，A/m2；pH2、pO2、pH2O分別為氫氣、氧氣和水蒸汽壓強(qiáng)，Pa；pref為參考壓強(qiáng)，Pa；αa、αc分別為陽極和陰極傳遞系數(shù)；ηa、ηc分別為陽極和陰極活化過電壓，V；R 為理想氣體常數(shù)，J/（mol·K）；F為法拉第常數(shù)，C/mol。

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建模仿真方法的可行性，建立了與文獻(xiàn)[18-19]尺寸相同的直流道PEEMFC 模型，并采用相同的操作條件對極化曲線進(jìn)行了仿真計(jì)算，極化曲線對比如圖4 所示。

由圖4 可知，本文仿真的極化曲線與文獻(xiàn)[18-19]結(jié)果的吻合度較高。最大誤差出現(xiàn)在工作電壓為0.6 V 時(shí)，本文仿真的電流密度為1.263 A·cm-2，文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為1.181 A·cm-2，誤差為6%，滿足仿真計(jì)算的精度要求。以上分析，驗(yàn)證了本次建模仿真方法的可行性。

圖4 模型驗(yàn)證Fig.4 Model validation

2 結(jié)果與討論

首先，通過在PEMFC 陰極直流道內(nèi)分別添加單個(gè)矩形擋板、流線型擋板A、流線型擋板B 以及流線型擋板C，分析擋板形狀對流道內(nèi)氧氣流速分布、流道與擴(kuò)散層接觸截面處氧氣總通量的影響。其次，在平行流場的陰極流道內(nèi)添加流線型擋板C，研究擋板在平行流場中的分布方式對氧氣壓力分布、氧氣濃度分布以及極化曲線的影響。

2.1 流線型擋板對直流道PEMFC 性能影響

2.1.1 氧氣流速分布

圖5 為工作電壓為0.5 V、在流道內(nèi)添加不同形狀擋板時(shí)的氧氣流速對比。

圖5 直流道內(nèi)氧氣流速分布Fig.5 Oxygen flow velocity distribution in straight flow channels

由圖5（a）可知，當(dāng)流道內(nèi)無擋板時(shí)，氧氣流動(dòng)速度分布均勻性較好。由圖5（b）可知，在流道內(nèi)添加矩形擋板后，氧氣流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。氧氣受到矩形擋板的阻礙作用，向擋板下方傳輸，擋板下方流速增加。此外，由圖5（b）可知，氧氣流經(jīng)矩形擋板時(shí)，在擋板后方產(chǎn)生渦流區(qū)域。由圖5（c）、（d）、（e）可知，在流道內(nèi)添加流線型后，擋板后方的渦流區(qū)域面積明顯減小。其中在流道內(nèi)添加流線型擋板C 時(shí)，擋板后方渦流最小，這說明增加流線型擋板的背風(fēng)面長度，有利于減小渦流區(qū)域的面積。

2.1.2 氧氣總通量曲線

圖6 為工作電壓為0.5 V 時(shí)流道與擴(kuò)散層接觸界面處的氧氣總通量曲線。

圖6 擴(kuò)散層中氧氣總通量曲線Fig.6 Curves of total oxygen flux in gas diffusion layer

由圖6 可知，當(dāng)流道內(nèi)無擋板時(shí)，流道與擴(kuò)散層接觸界面處的氧氣總通量先提高后降低。在流道內(nèi)添加擋板后，氧氣總通量在擋板下方顯著提高。當(dāng)流道內(nèi)無擋板以及添加的擋板形狀為矩形、流線型A、流線型B、流線型C 時(shí)，在流道長度L=21 mm處，氧氣的總通量分別為0.168 8、0.364 3、0.367 7、0.370 0、0.371 0 kg/（m2·s）。由此可知，在陰極流道內(nèi)添加的擋板可有效促進(jìn)氧氣由流道向擴(kuò)散層的質(zhì)量傳輸，并且在4 種擋板類型中，流線型擋板C 對氧氣質(zhì)量傳輸?shù)膹?qiáng)化效果最佳。

2.1.3 PEMFC 極化曲線

圖7 為流道內(nèi)添加不同形狀擋板后PEMFC 極化曲線對比。由圖7 可知，在流道內(nèi)添加擋板能提升PEMFC 輸出性能。

圖7 流道內(nèi)添加不同形狀擋板時(shí)的極化曲線Fig.7 Polarization curves when baffles of different shapes are added to flow channels

當(dāng)工作電壓等于0.2 V 時(shí)，無擋板流道的PEMFC 電流密度為1.595 0 A·cm-2。當(dāng)流道內(nèi)添加形狀為矩形、流線型擋板A、流線型擋板B 以及流線型擋板C 時(shí)，PEMFC 電流密度分別為1.630 1、1.631 2、1.633 3、1.634 7 A·cm-2。由此可知，PEMFC輸出性能隨流線型擋板背風(fēng)面長度的增加而提高。與無擋板流道相比，當(dāng)流道內(nèi)添加流線型擋板C時(shí)，PEMFC 電流密度提高了2.5%。

2.2 擋板分布對平行流場PEMFC 性能影響

2.2.1 氧氣壓力分布

圖8 為工作電壓為0.5 V 時(shí)具有不同擋板分布方式的平行流場中的氧氣壓力對比。由圖8 可知，當(dāng)平行流場中無擋板時(shí)，每條直流道中的氧氣壓力從入口到出口逐漸降低。當(dāng)平行流場中添加流線型擋板后，反應(yīng)氣體的流動(dòng)阻力民明顯增大，平行流場中的氧氣壓力下降，且在流線型擋板處氧氣壓力明顯下降。此外，由圖8（b）與（c）可知，與平行分布相比，在流線型擋板交錯(cuò)分布的平行流場中氧氣壓降更高。這是由于在交錯(cuò)分布時(shí)，部分流線型擋板與直流道的氣體入口距離更小，對氧氣的阻礙效果更強(qiáng)，流場內(nèi)較大的壓降有利于促進(jìn)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散[20]。

圖8 平行流場內(nèi)氧氣壓力分布Fig.8 Oxygen pressure distribution in parallel flow fields

2.2.2 氧氣濃度分布

圖9 為工作電壓為0.5 V 時(shí)3 種平行流場的催化層中氧氣濃度分布。

由圖9（a）可知，當(dāng)平行流場中無擋板時(shí)，由于電化學(xué)的反應(yīng)進(jìn)行，氧氣不斷被消耗，氧氣濃度沿氣體流動(dòng)方向均勻降低。此外，在無擋板平行流場中，氧氣濃度在肋板對應(yīng)區(qū)域幾乎為0。由圖9（b）與（c）可知，在平行流場中添加流線型擋板后，在擋板對應(yīng)的催化層區(qū)域，產(chǎn)生氧氣聚集區(qū)，并且肋板對應(yīng)區(qū)域中的氧氣濃度得到提高。除此之外，當(dāng)流線型擋板采用交錯(cuò)分布時(shí)，催化層中的氧氣聚集區(qū)呈點(diǎn)陣狀分布，且整體氧氣濃度更高。

圖9 催化層中氧氣濃度分布Fig.9 Oxygen concentration distribution in catalytic layer

2.2.3 PEMFC 極化曲線

圖10 為3 種不同平行流場的極化曲線對比。

圖10 無擋板及具有不同擋板分布方式的平行流場的極化曲線Fig.10 Polarization curves of parallel flow fields without baffles and with baffles in different distributions

由圖10 可知，與常規(guī)平行流場相比，在流道內(nèi)添加流線型擋板有助于改善PEMFC 輸出性能。在常規(guī)平行流場中，當(dāng)工作電壓等于0.2 V 時(shí)，PEMFC 電流密度為1.735 9 A·cm-2。當(dāng)流線型擋板分別采用平行分布及交錯(cuò)分布時(shí)，PEMFC 的電流密度分別為1.781 5、1.793 9 A·cm-2。由此可知，流線型擋板在平行流場中采用交錯(cuò)分布更有助于改善PEMFC 性能。與常規(guī)平行流場相比，采用交錯(cuò)分布的平行流場其電流密度提高了3.4%。

3 結(jié)論

本文提出了一種新型流線型擋板，并與矩形擋板進(jìn)行對比，分析了流線型擋板的背風(fēng)面長度對PEMFC 性能的影響。最后通過在平行流場中添加流線型擋板，研究了擋板分布方式對氧氣壓力與濃度分布以及極化曲線的影響，結(jié)論如下。

（1）直流道內(nèi)添加流線型擋板，有助于減小擋板后方的渦流區(qū)域面積，且渦流面積隨流線型擋板背風(fēng)面長度的增加而減小。此外，在流道內(nèi)添加擋板可明顯增大擴(kuò)散層中的氧氣通量，并顯著改善PEMFC 性能。當(dāng)工作電壓為0.2 V 時(shí)，與無擋板流道相比，在流道內(nèi)添加流線型擋板C 后，PEMFC 電流密度提高了2.5%。

（2）與平行流場相比，在流場內(nèi)添加擋板增大了反應(yīng)氣體壓降，并提高了催化層中的氧氣濃度。當(dāng)擋板采用交錯(cuò)分布時(shí)，與平行分布相比，流場中的氧氣壓降更高，催化層中的氧氣濃度呈點(diǎn)陣狀分布，且整體氧氣濃度得到提高。

（3）平行流場中添加流線型擋板可改善PEMFC 輸出性能。當(dāng)工作電壓為0.2 V 時(shí)，與常規(guī)平行流場相比，在平行流場中添加流線型擋板C 且采用交錯(cuò)分布時(shí)，PEMFC 電流密度提高了3.4%。

（4）與常規(guī)擋板結(jié)構(gòu)相比，流線型擋板減小了反應(yīng)氣體的流動(dòng)阻力，消除了擋板后方的渦流現(xiàn)象。但與常規(guī)擋板相比，流線型擋板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求較高。因此，流道結(jié)構(gòu)-制作工藝-輸出性能一體化是未來PEMFC 發(fā)展和應(yīng)用需要克服的一大難題。