新型拓展流道PEMFC傳質模擬與性能研究

收稿日期：2021-12-30

基金項目：海南省自然科學基金（521RC492；520RC540）；海南省教育廳項目（Hnkyzc2022-3）

通信作者：付麗榮（1986—），女，博士、講師，主要從事燃料電池結構優(yōu)化及傳輸機理方面的研究。993560@hainanu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1608 文章編號：0254-0096（2023）05-0074-06

摘 要：該文提出一種帶有拓展區(qū)域的新型PEMFC流道，拓展區(qū)域長度分別設計為1、2和4 mm。采用COMSOL軟件建立三維等溫穩(wěn)態(tài)模型并進行數值計算。結果表明：新型拓展流道PEMFC性能均優(yōu)于傳統(tǒng)直流道PEMFC，其最佳拓展長度為2 mm。在高電流密度下，拓展流道使氧氣分布更加均勻，提升水的去除能力。當取最佳拓展長度時，增加拓展區(qū)域數量能進一步提升燃料電池性能，與傳統(tǒng)直流道相比，雙拓展區(qū)域的流道使PEMFC峰值功率密度提高了18.44%。

關鍵詞：氫能；質子交換膜燃料電池；優(yōu)化設計；數值模擬；拓展流道

中圖分類號：TM911.48" " " 文獻標志碼： A

0 引 言

質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）被認為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色發(fā)電裝置，它具有高能效、低排放、低噪聲等優(yōu)點［1］。傳統(tǒng)的PEMFC在高電流密度情況下存在陰極水淹、質量傳遞效果差等現象［2］。雙極板是PEMFC的重要組成部件，它將反應物均勻地輸送到電極上，并負責促進液態(tài)水及熱量的去除。目前，PEMFC常用流道類型主要有直流道、蛇形流道、平行流道和叉指流道。直流道由于易于制造、成本低而被大量用于動力工業(yè)。合理的流道設計可明顯改善PEMFC堆棧的輸出功率［3］，有效解決其在高電流密度下的水淹問題。HT（高溫）-PEMFC由于其較高的運行溫度范圍，消除了LT（低溫）-PEMFC所引起的部分水管理問題，此外，其更好的CO耐受性、更高的反應效率、熱利用率等優(yōu)勢，引起了研究人員的廣泛關注。本文相關研究基于HT-PEMFC。

目前，研究者們對流場進行結構優(yōu)化以改善PEMFC性能。Rahimi-Esbo等［4］建立7個不同流場的三維模型，以研究流道與肋寬比例對PEMFC性能的影響，結果表明適當減小肋寬有助于增強傳質。Mahmoudimehr等［5］研究了陰極通道橫截面積對PEMFC性能的影響，結果表明PEMFC運行時的濕度與溫度是決定最佳橫截面積的重要條件。謝啟真等［6］對具有不同夾角的葉脈仿生流道進行了仿真研究，研究結果顯示在一定范圍內增大夾角可以有效增強反應物分布均勻性。Ebrahimzadeh等［7］研究了在流場內增加障礙物對PEMFC性能產生的影響，研究發(fā)現，橫截面為矩形障礙物的流道產生了最高的電流密度。李子君等［8］對波浪流道PEMFC進行模擬及實驗研究，證明了波浪流道能引起反應氣體強制對流，增強PEMFC的傳質傳熱效果，在電壓為0.4 V時，電流密度提升了13.45%。何良等［9］設計了一系列S型流場并研究了其關鍵參數對電池性能的影響，結果顯示S型流場提升了15%的峰值功率密度。

綜上，對流場的幾何形狀及結構進行優(yōu)化設計還有待改進之處，如縮小肋寬能有效提高燃料電池性能，但會影響雙極板的機械性能。在流道中添加障礙物，采用波浪形狀的流道等，由于阻擋了反應氣體通路而造成了較大的壓降，這引起了額外的寄生功率。為了解決這些問題，在傳統(tǒng)直流道基礎上進行修改，本文提出一種新型拓展流道，利用COMSOL Multiphysics軟件建立三維等溫穩(wěn)態(tài)模型，并分析新型拓展流道對HT-PEMFC（以下簡稱為PEMFC）輸出性能、氧氣分布、電流密度、水濃度分布的影響。根據仿真結果對拓展流道的幾何結構進行優(yōu)化，確定其最佳拓展長度后，探究拓展區(qū)域數量對電池性能的影響。

1 模型描述

1.1 流道設計

本文模型均在COMSOL Multiphysics軟件中進行模擬計算，如圖1所示，幾何模型的主要部件有陰極和陽極流道、氣體擴散層（gas diffusion layer，GDL）、催化劑層（多孔電極）、質子交換膜，各部件幾何參數和運行參數由表1列出。拓寬的流道能增加反應物與GDL間的接觸面積并增強GDL中的除水性能，有效降低電壓損耗，此外，為避免過度削弱極板機械

性能，陰極拓展流道對部分流道區(qū)域進行拓展，且圓弧狀內壁面有利于增強氣體流速，并幫助排水。主要的設計參數包括拓展長度（[Le]）和拓展深度（[h]），為了探究拓展結構對PEMFC性能的影響，本文設計了3種不同尺寸的陰極拓展流道（[Le=1、2、4] mm）與傳統(tǒng)陰極直流道進行對比分析。

1.2 模型假設及邊界條件

為簡化系統(tǒng)組分，對模型進行如下假設：

1） 模型在等溫、穩(wěn)態(tài)條件下模擬。

2） 所有多孔介質為均勻且各向同性。

3） 流道中的氣體流動為層流不可壓縮狀態(tài)。

4） 反應氣體滿足理想氣體定律。

對模型的邊界條件設置如下：流道入口設定流入狀態(tài)為層流流入；流道出口處設定流體流出，并設置了壓力邊界；為了保證本設計可以應用于平行流道、蛇形及其他類型的流道，對GDL及催化劑層的側邊界設置為對稱邊界條件；對于其余壁面均設置為絕緣、零通量及無滑移條件。

2 模型驗證

為了驗證數值模擬結果的可靠性，將單電池模型模擬結果與文獻［11］中的實驗數據進行比對。如圖2所示，模型仿真所得極化曲線與實驗所得極化曲線吻合較好，故該模型在本文工作中是可靠的，證明了模型的有效性。

3 結果分析

3.1 拓展長度對電池性能的影響

圖3為直流道和3種拓展流道（[Le=1、2、4] mm）的極化曲線和功率密度曲線，可看出3種拓展流道均顯示出比傳統(tǒng)直流道更好的性能。在低電流密度區(qū)域，電化學反應對反應氣體的消耗量較少，極化曲線間的差異較小。在高電流密度區(qū)域，極化曲線間的差異更為突出，3種拓展流道顯示出不同的性能。與傳統(tǒng)直流道相比，拓展長度為1 mm的流道對電池性能未產生較大影響，然而隨著拓展長度增加，電流密度明顯增強。

隨著拓展長度由2 mm增至4 mm，并未觀察到電池性能的進一步優(yōu)化，甚至在某些電壓下對電池性能產生了負面影響，這是由于過大的拓展區(qū)域減弱了反應氣體在流道內的物質傳遞。故2 mm為本文設計的最佳拓展長度，隨著該值的增加，將對帶有陰極拓展流道的PEMFC性能產生不利影響。

在0.4 V的工作電壓下，帶有2 mm拓展長度的拓展流道與傳統(tǒng)直流道的電池功率密度分別為0.412 W/cm2和0.364 W/cm2，比傳統(tǒng)直流道PEMFC增加了13.21%。新型流道增加了單位電池的有效面積，帶來了更高的電流和功率密度。

3.2 拓展長度對氧氣傳輸的影響

圖4為電壓為0.4 V時，傳統(tǒng)直流道和帶有不同拓展長度[Le]的陰極流道PEMFC在陰極催化劑層與膜交界面上的氧氣摩爾濃度分布情況。由圖4可知，所有流道中氧氣摩爾濃度都是沿入口到出口逐漸減少的，這是由于電化學反應引起的氧氣消耗所致。此外，帶有拓展流道的氧氣摩爾濃度分布都與傳統(tǒng)直流道PEMFC呈曲線狀分布不同，在拓展區(qū)域內的氧氣分布明顯優(yōu)于傳統(tǒng)直流道PEMFC。

圖5為2種流道在[X]軸方向上的氣體速度。由圖5可看出，在拓展流道中，氣體速度產生了較大突變，這是由于拓展區(qū)域的結構形式造成的，較高的氣體速度增強了反應氣體在流道內的擴散效應，特別是在流道寬度方向上。相比之下，傳統(tǒng)直流道內在[X]軸方向上幾乎無速度通量，反應氣體在流道內僅靠濃度梯度進行傳質，這揭示了氧氣摩爾濃度在拓展流道中比傳統(tǒng)直流道的分布均勻性更強的原因。

通過對比3種拓展流道的氧氣分布情況顯示，在[Le=2 mm]的PEMFC催化劑-膜交界面上，氧氣的存在率最高。其與傳統(tǒng)直流道表面平均摩爾濃度分別為2.185 mol/m3和2.069 mol/m3，提升率為5.61%。結果表明，與傳統(tǒng)直流道相比，拓展流道促進了反應氣體的物質傳遞效率，特別是在電池寬度方向上氧氣分布均勻性明顯增強，隨著更多的氧氣存在于催化劑層上，催化層反應速率得到提升。

3.3 拓展長度對電流密度的影響

圖6為電壓為0.4 V時，傳統(tǒng)直流道和3種拓展長度的流道PEMFC在質子交換膜中間層上的電流密度分布情況。由圖6可知，電流密度從入口到出口是逐漸降低的，這與陰極側氧氣濃度分布相對應。在寬度方向上，GDL層所造成的歐姆電壓降導致靠近通道兩側的電流密度高于靠近通道中心位置的電流密度。結果顯示，帶有拓展流道的PEMFC放電電流密度均高于傳統(tǒng)直流道PEMFC，這是由于拓展區(qū)域的引入，更多的反應氣體參與了電化學反應，使反應更加充分。

3種拓展流道的膜上電流密度分別為9467、10301、10098 A/m2，其帶有2 mm拓展長度的流道PEMFC產生了最大電流密度。因此，新型拓展流道可有效提高PEMFC的放電電流密度，提升燃料電池的輸出功率。此外，值得注意的是，拓展區(qū)域的引入會出現局部電流密度較低的現象，這種現象會隨拓展長度的增加而加劇。當[Le=2 mm]時，與拓展區(qū)域帶來的電流密度增加相比，較小的局部電流密度降低可忽略，但當[Le=4 mm]時，較大的局部電流密度降低造成流道內的電流密度分布不均，從而造成質子交換膜上熱應力的集中，影響質子交換膜的使用壽命。故較大的拓展長度是不可取的。

3.4 拓展長度對水傳輸的影響

圖7為電壓為0.4 V時，傳統(tǒng)直流道PEMFC和帶有不同拓展長度的拓展流道PEMFC在陰極GDL中間層上的水摩爾濃度分布情況。由圖7可看出，所有流道的水濃度從入口到出口都是逐漸增加的，這是由于消耗氧氣進行電化學反應而生成水以及入口的反應氣體的吹掃作用使其向出口運動，在此過程中，運動的水與流道中部及后部的水相聚集使得除水困難。所有拓展流道PEMFC都呈現出比傳統(tǒng)直流道PEMFC更均勻的水濃度分布，這是由于拓展區(qū)域的存在減弱了流道內水的聚集過程，使得拓展區(qū)域內的水摩爾濃度較小，且弧壯結構對水的運動具有一定的導向作用，更易于水的去除。

圖8為流道拓展長度分別為1、2和4 mm的PEMFC在陰極GDL的水摩爾濃度曲線。由圖8圖可知，3種陰極拓展流道在拓展區(qū)域內的水濃度都較低，帶有2 mm拓展長度的流道具有最好的綜合除水性能，表明拓展流道設計能有效增強PEMFC水的去除能力。

3.5 拓展區(qū)域數量對電池性能的影響

選取拓展長度2 mm為基準，分析拓展區(qū)域數量對電池性能的影響，圖9為帶有1個、2個、3個拓展區(qū)域（分別命名為單拓展、雙拓展、三拓展）流道的極化曲線及功率密度曲線，由圖9可知，電池性能隨拓展區(qū)域數量的增加而增強，從單拓展增加到雙拓展，電池性能得到了明顯提升，這是由于

設置于流道前、后段的拓展區(qū)域相比于僅在中段的拓展區(qū)域發(fā)揮了更佳的傳質增強作用，反應氣體在流道寬度方向上分布的更加均勻，增強了電化學反應，從而提升了燃料電池性能。然而，進一步增加至三拓展流道，并沒有帶來明顯的性能提升。此外，拓展區(qū)域的存在削弱了流場板的支撐能力，設置過多的拓展區(qū)域將對極板的機械性能產生影響。

圖10為電壓為0.4 V時3種拓展區(qū)域數量流道陰極催化劑層與膜交界面的氧氣摩爾濃度分布情況。由圖10可知，雙拓展和三拓展流道在靠近出口的后半段有更多的氧氣含量和更均勻的氧氣濃度分布，這是由增加的拓展區(qū)域引起的，這提高了電化學反應效率及質子交換膜的利用率。相比于雙拓展，三拓展流道并未明顯增強反應氣體分布，流道前、后段的氧氣濃度有所減小，但中部的氧氣濃度有所增加，這減小了沿流向的反應氣體濃度梯度，流向方向上的反應氣體分布均勻性略有增強，這揭示了三拓展流道PEMFC在的基礎上進一步提升了輸出雙拓展流道PEMFC在的基礎上進一步提升了輸出性能的原因，從單拓展到雙拓展流道及雙拓展到三拓展流道的PEMFC功率密度提升率分別為5.23%和1.03% 。結果表明，增加拓展區(qū)域數量能有效提升燃料電池性能且提升率隨拓展區(qū)域數量的增加而減小，考慮到性能提升率及對極板機械性能的影響，雙拓展流道為本文最佳的流道設計，相較于傳統(tǒng)直流道，雙拓展流道使PEMFC峰值功率密度提升了18.44%。

4 結 論

本文基于直流道HT-PEMFC進行了流道優(yōu)化設計，提出一種新型陰極拓展流道，建立三維、等溫、穩(wěn)態(tài)模型，采用CFD法探究了陰極拓展流道HT-PEMFC的輸出性能、氧氣在催化劑-膜交界面上分布、膜中間層的電流密度分布及水在GDL上的分布情況及變化規(guī)律。通過對比分析得到如下結論：

1）拓展流道由于拓展區(qū)域的變化結構，強化了傳質及改善氧氣在催化劑層-膜交界面上的存在率，提升了平均氧氣濃度，使電化學反應更加充分。

2）拓展流道的拓展區(qū)域減緩流道內水的聚集過程，并對水的運動有導向作用，加強了PEMFC除水能力。

3）本文所設計流道的最佳拓展長度為2 mm。電壓為0.4 V時，與傳統(tǒng)直流道相比，其單拓展流道燃料電池功率密度提升了13.21%。

4）拓展長度[Le]為2 mm時，雙拓展、三拓展流道的性能提升率隨拓展區(qū)域數量的增加而減小。雙拓展流道為最佳設計，其帶來了5.23%的額外功率密度提升，相較于傳統(tǒng)直流道，總的提升率為18.44%。

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MASS TRANSFER SIMULATION AND PERFORMANCE STUDY OF

PEMFC WITH NEW EXTENDED FLOW CHANNEL

Wu Shengwei，Fu Lirong，Liu Weifeng，Zhang Xiaosong，Liu Jinyi，Gong Penghua

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract：A new flow channel with an extended area is proposed in this paper. The length of the extended area is 1， 2， and 4 mm， respectively. A three-dimensional isothermal steady-state model is established by COMSOL software. The results demonstrate that the performance of PEMFC with the novel flow channel is superior to that with the traditional straight channel. And the optimal extended length is 2 mm. At high current density， the extended channel can contribute to more uniform oxygen distribution and improve the removal of water. Increasing the number of extended areas after determining the optimal extended length will enhance fuel cell performance even more. The channel with double extended regions can increase the peak power density of PEMFC by 18.44% when compared to the traditional straight channel.

Keywords：hydrogen energy； PEMFC； optimal design； numerical simulation； extend flow channel