幾何擋板對PEMFC 性能的影響與優(yōu)化

摘要：為了改善質子交換膜燃料電池（PEMFC）的性能，采用在流道內添加擋板改變流道結構的方式，以有效提高反應氣體的電流密度和傳質特性。提出在PEMFC 單直流道中添加4 種不同的幾何擋板流道結構，通過研究其不同結構型擋板對反應氣體傳輸特性的影響。研究結果表明：在流道中添加擋板，使更多的反應氣體滲透到氣體擴散層，促進質量傳遞，PEMFC 的整體輸出性能得到明顯提升；同時，添加擋板可以使反應氣體質量傳遞更佳，相對氣體均勻分布，水物質的量分數(shù)減少，有效避免水淹現(xiàn)象，排水能力更好；流線形擋板為此類擋板中性能更為優(yōu)異的；優(yōu)化后的單條流道中設置5 個流線形擋板的PEMFC 性能最好，相較于無擋板常規(guī)流道，當工作電壓為0.1 V 時，無擋板流道的電流密度為1.237 3 A/cm2，優(yōu)化后的擋板結構流道電流密度為1.536 9 A/cm2，提升約24.2%，峰值功率密度則提高了17.7%。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池（PEMFC）；擋板；流道；電流密度；功率密度

0 前言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種新型的能源裝置，可將H2與O2的化學能直接轉化為電能，PEMFC 具有轉換效率高、維護方便、反應物無污染等特點，在千瓦量級的功率輸出條件下，其轉換效率可達到50%～60%［1-2］。PEMFC 雙極板內的流道結構是燃料電池設計的關鍵點，不合理的流道設計會導致燃料電池內部出現(xiàn)水淹現(xiàn)象與反應氣分布不均的情況，直接影響到燃料電池的綜合性能［3］。對流道擋板進行改進設計，在不增加成本的前提下提高PEMFC 的電流密度和功率密度，是實現(xiàn)PEMFC 商用化成本要求和緊湊化要求的有效途徑［4-6］。研究發(fā)現(xiàn)，在PEMFC 陰陽極流道中插入擋板塊，能夠有效提高燃料電池的氧輸運性能［7］。

DONG 等［8］提出了5 種不同形狀的擋板，通過數(shù)值計算表明，添加擋板并進行優(yōu)化后，與無擋板的傳統(tǒng)流道相比，最大轉化效率可以提高17.09%。PERNG 等［9］設計出60°傾角的梯形擋板，研究了5 種角度的梯形擋板對流道內反應氣體的影響。結果表明：60°傾角與1.125 mm 高度的梯形擋板能大幅度提高PEMFC 的凈功率，并降低壓降。LI 等［10］通過對4 種新型流線形水滴狀擋板的研究，得出相比于傳統(tǒng)流道，此型擋板通道性能更好，擴散速度更高、流動阻力更低。LIU 等［11］在流道內添加了仿生鰭狀擋板，得出此型流道可使氣體擴散層（GDL）表面液滴的去除效率有效提高，進而防止液滴積聚。WANG 等［12］通過對傳統(tǒng)平行流場、平行梯形擋板和交錯梯形擋板3 種流場PEMFC 的傳質特性和排水性能進行了研究。結果表明：2 種添加擋板的流道均有利于提高流道到電極的傳質特性，且交錯梯形擋板流道的氣體分布均勻性與排水性能更加優(yōu)異。YIN 等［13］研究發(fā)現(xiàn)，PEMFC 的性能首先隨著擋板數(shù)量的增加而提高，但當擋板數(shù)量過多時則會降低。當流道內矩形擋板數(shù)量為5 時，PEMFC 的凈功率最佳。

眾多學者分別從擋板的形狀、數(shù)量及分布方式等方面對PEMFC 流道開展了大量研究。在流道中添加擋板的方式可強化PEMFC 的傳質特性并改善其輸出性能，但不同的擋板結構對于PEMFC的性能有著明顯差異。然而，對于不同結構型擋板的性能研究較少，且需要對性能優(yōu)異的擋板結構進行進一步優(yōu)化。因此，本文建立了在單直流道中分別添加4 種不同結構型擋板（矩形、梯形、流線形、三角形），研究了PEMFC 輸出性能、陰極上氣體GDL 與催化層（CL）交換界面氧氣的分布特點、陰極流道內水的分布特點，并以此為基礎，從流道內擋板數(shù)量對PEMFC 輸出性能的影響進行優(yōu)化，設計出一種性能更加優(yōu)異的擋板設計結構。

1 PEMFC 模型建立

1. 1 幾何模型

本文建立了一個包含陰陽極流道、GDL、 CL及質子交換膜（PEM）的三維PEMFC 直流道模型， 如圖1 所示。

基于此單直流道模型設計了4 種不同結構型的幾何擋板，擋板結構為矩形、三角形、梯形、流線形，各組的擋板呈對稱分布。PEMFC 幾何模型的參數(shù)見表1。同時，為了更好地提升相關燃料電池的性能，保證相關擋板幾何性質相符，具體模型結構如圖2 所示。其中，d1、d2分別為擋板表面寬度，h1為擋板高度，R1、R2、R3分別為流線形擋板各部位的倒角半徑。PEMFC 仿真模擬的邊界條件見表2。

1. 2 模型假設及邊界條件

為了避免外界環(huán)境對仿真結果的影響，對模型進行假設：① 忽略重力對PEMFC 的影響；② 工作環(huán)境溫度穩(wěn)定；③ 流道內為不可壓縮的理想氣體且為低速層流流動；④ 所有多孔介質均勻且各向同性；⑤ 氣體在模型內為單向流動。

1. 3 控制方程

在PEMFC 電池仿真模擬過程中，采用COMSOL multiphysics 軟件建立幾何數(shù)學模型，涉及的質量守恒方程、動量守恒方程、氣體擴散層和質子交換膜能量守恒方程、催化層能量守恒方程和組分守恒方程分別為：

1. 4 網(wǎng)格無關性驗證

為保證仿真結果的精度，對所建立擋板的平行流道進行不同數(shù)量的網(wǎng)格劃分，并在常規(guī)的單元大小以及相同的邊界條件下對模型進行模擬仿真，仿真結果見表3。由表3 可知：當工作電壓為0.45 V時，方案4 與方案5 的電流密度相對誤差為0.562%，滿足仿真計算模型的要求。同時，為滿足精度要求，本次仿真采用374 912 個網(wǎng)格進行劃分。

1. 5 模型驗證

本文通過建立與文獻［14］中相同的單直流道模型，并采用相同的條件參數(shù)，對設定進行模型驗證，其目的在于驗證PEMFC 模型建立的正確性和仿真方法的有效性。最終驗證對比如圖3 所示。由圖3 可知，在不同的電壓條件下，本文所仿真的極化曲線與文獻［14］數(shù)據(jù)較為吻合。通過以上分析，在一定程度上驗證了該數(shù)值模型的可靠性。

2 結果與分析

2. 1 PEMFC 輸出性能

各幾何擋板流道結構的PEMFC 電壓極化曲線與功率密度曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出：相比于無擋板模型，在流道中安裝擋板的模型性能明顯較高，顯著提高了電池的電流密度與功率密度；不同的幾何擋板形狀，其輸出性能不同。在低電流密度下，曲線重疊。當電壓為0.1 V 時，無擋板PEMFC 的電流密度為1.237 3 A/cm2。當流道內添加流線形擋板、梯形擋板、三角形擋板、矩形擋板的PEMFC 的電流密度分別為1.525 6 A/cm2、1.494 1 A/cm2、1.391 3 A/cm2、1.320 3 A/cm2，流線形擋板的PEMFC 的電流密度比無擋板模型大23.3% 。此外，流線形擋板、梯形擋板、三角形擋板、矩形擋板、無擋板的PEMFC 的峰值功率密度分別為0.407 12 W/cm2、0.406 16 W/cm2、0.388 99 W/cm2、0.390 07 W/cm2、0.346 99 W/cm2，這5 種PEMFC 性能從高到低依次為流線形、梯形、三角形、矩形、無擋板。此結論反映出流線形擋板的優(yōu)異性，是由于流道中的流線形擋板對流通于流道中反應氣體發(fā)生堵塞，使得更多的反應氣體滲透到GDL 與CL 中，且流線形擋板的幾何體積較大，進而促進了反應進行。這也與擋板的體積越大，提供給CL 的反應物越多［15］的結論相符。

2. 2 氧物質的量分數(shù)分布

當工作電壓為0.45 V 時，不同結構流道PEMFC 陰極上CL 與GDL 界面處的氧物質的量分數(shù)分布如圖5 所示。氧物質的量分數(shù)在入口處皆處于最大值，上游區(qū)的氧質量幾乎分布相同，富氧區(qū)整體沿氣體流動的方向呈下降趨勢，這是由于氧氣逐漸消耗的緣故。添加擋板的結構明顯比無擋板結構氧氣物質的量分數(shù)高，4 種不同擋板結構的平均氧氣物質的量分數(shù)相近，但尤以流線形擋板為首，且氧氣分布更加均勻。這是由于流道內擋板的存在阻礙了反應氣體的傳遞，存在對流效應，說明有更多的反應氣體被擠壓到GDL 中，氣體傳遞效果更好。伴隨著燃料氣體消耗的增加，隨之產(chǎn)生的化學反應更加劇烈，這也與圖4 結論相符合。而流線形擋板的氧氣分布相比于其他幾何擋板更加均勻，這是由于設計的流線形擋板末端背風面有利于減少擋板后端的氣體渦流面積，背風面的平順與其他擋板末結構產(chǎn)生差別，有助于氣體平緩流動；其相關氧氣物質的量分數(shù)提高，有利于加強氧氣對GDL 的傳輸。

2. 3 水物質的量分數(shù)分布

當工作電壓為0.45 V 時，不同結構型擋板流道的PEMFC 陰極上水的物質的量分數(shù)分布如圖6 所示。

PEMFC 中水的存在往往會對電池的性能產(chǎn)生不利影響，水的聚集更是會導致反應物不均勻，阻礙相應的物質傳遞，降低氣體反應物的傳質效率。但同時， 水的存在也可以降低電池溫度，防止電池過熱，提高PEMFC 的熱管理能力，從而確保其穩(wěn)定運行。由圖6 可以看出：添加擋板結構的流道內平均水物質的量分數(shù)明顯低于無擋板的平行流道，說明無擋板的平行流道保水特性好，而添加擋板的流道排水特性強。在4 種幾何擋板中，2 種擋板體積大的流線形與梯形擋板水分布更低，其水管理更優(yōu)，從而提高整體效率和性能。這是由于當擋板體積較大時，物質流動在擋板周圍的區(qū)域窄、流速快，進而對水流的慣性作用強［16］。

綜上所述，幾何擋板可以為PEMFC 提供良好的水管理，加強PEMFC 的傳質特性。

2. 4 擋板流道優(yōu)化設計

由上述研究結果的分析，可以得出在4 種不同結構型的擋板中，流線形擋板流道的性能更加優(yōu)異，能夠更好地提高通道中的反應氣濃度，同時也增強了反應氣體的傳遞過程。在此基礎上，進一步在數(shù)量方向對擋板性能進行優(yōu)化，研究擋板數(shù)量對燃料電池性能的影響。不同數(shù)量流線形擋板流道結構的PEMFC 電壓極化曲線與功率密度曲線如圖7 所示。由圖7 可以看出：PEMFC 性能隨擋板數(shù)量的增加而增強；將擋板數(shù)量分別設置為2、3、4、5，當工作電壓為0.1 V 時，PEMFC 的電流密度分別為1.439 0 A/cm2、1.482 4 A/cm2、1.525 6 A/cm2、1.536 9 A/cm2；PEMFC 的峰值功率密度分別為0.394 9 W/cm2、0.402 2 W/cm2、0.407 1 W/cm2、0.408 4 W/cm2。相比于擋板數(shù)量為2 時，當擋板數(shù)量為5 時，電流密度提高6.8%，峰值功率密度提高3.4%。同時，隨著擋板數(shù)量的增加，其增量速率呈降低狀態(tài)。綜上總結，采用擋板數(shù)量為5 的流線形擋板結構，PEMFC 的輸出性能與傳質特性較單直流道具有極大改善。PEMFC 峰值功率密度較無擋板時提高了17.7%，PEMFC 電流密度相對無擋板時提高了24.2%。

3 結論

本文通過對雙極板的合理設計，建立了4 種不同結構型的擋板流道結構，研究了擋板結構對PEMFC 性能的影響，分析了流道結構對電壓極化曲線、功率密度曲線、氧氣物質的量分數(shù)、水物質的量分數(shù)的分布。從擋板數(shù)量角度出發(fā)，對流線形擋板流道結構PEMFC 進行性能優(yōu)化。得出以下結論：

（1） 流道幾何擋板的存在能明顯提高電池的性能，促進電化學反應的質量傳遞和提高氧氣濃度。擋板形狀對PEMFC 的傳質特性與電池性能有著重大影響。其中，流線形擋板流道的PEMFC的性能最好，電化學效率最高。特別是低壓工作狀態(tài)時，差距效果更為明顯。

（2） 擋板的設計可以改善電池的排水性能。無擋板的平行流道保水特性好，添加擋板的流道排水特性強，有助于優(yōu)化電池內部的水管理，從而提高整體效率和性能。其中，因流線形擋板的特殊背風面設計使得其排水性能最好，進一步證明了擋板的特殊優(yōu)異性。

（3） 隨著流道結構內擋板數(shù)量的增加，PEMFC的輸出性能也隨之提升。流道內添加5 個流線形擋板時，PEMFC 峰值功率密度為0.408 4 W/cm2，較無擋板時提高了17.7%。當工作電壓為0.1 V 時，PEMFC 電流密度為1.536 9 A/cm2，相對無擋板時提高了24.2%。

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