質子交換膜燃料電池大電流密度下運行工況優化研究*

張洪凱 詹志剛 何曉波 帥 露 隋邦杰 潘 牧

(武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室1) 武漢 430070)(武漢理工大學能源與動力工程學院2) 武漢 430063) (武漢理工大學汽車工程學院3) 武漢 430070)(加拿大維多利亞大學機械系集成能源系統實驗室4) 維多利亞市 V8W 2Y2)

質子交換膜燃料電池大電流密度下運行工況優化研究*

張洪凱1,2)詹志剛1,2)何曉波1,2)帥 露2)隋邦杰3,4)潘 牧1)

(武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室1)武漢 430070)(武漢理工大學能源與動力工程學院2)武漢 430063) (武漢理工大學汽車工程學院3)武漢 430070)(加拿大維多利亞大學機械系集成能源系統實驗室4)維多利亞市 V8W 2Y2)

利用計算流體動力學軟件，針對在大電流密度、陰極無加濕、陽極加濕，陰陽極有背壓等操作特點下運行的PEM電池進行數值模擬，綜合考慮電池性能和電流密度分布的均勻性，尋求最優工況點.結果表明，對于給定的操作壓力，存在一個最佳性能溫度，壓力增加，最佳溫度隨之增加，在壓力為100，200，300 kPa時，最佳性能溫度分別為75，60，50 ℃；由于陰極不加濕，在最佳性能溫度點膜含水量分布及電流密度分布不均勻；在較低溫度下運行時電流密度分布均勻性隨著壓力的增加逐漸提高，但在較高溫度下運行時則相反.

質子交換膜燃料電池；電流密度；水傳輸；運行工況；優化

0 引 言

在化石能源面臨枯竭和環境污染日益嚴重的今天，尋找一種高效、無污染的新型能源成為了亟待解決的問題，質子交換膜(PEM)燃料電池因其高效率、高功率密度、低污染等優點廣泛受到人們的關注.PEM燃料電池可以應用于汽車、航天、移動充電設備等領域，被認為市場潛力十分巨大[1].由于市場應用的需求，PEM電池體積不斷減小而功率密度不斷增加，日本豐田汽車公司于2014年推出了MIRAI 燃料電池汽車，其電堆的質量功率密度和體積功率密度達到2.0 kW/kg和3.1 kW/L[2].電池堆在大功率下運行，電流密度往往也較高，可能高達1.5～2.5 A/cm2，因此，一般需要增加背壓，以提高反應氣體濃度；同時電池生成水較多，合理利用生成水，可以簡化或去掉加濕系統.因此研究膜電極內部水、氣傳輸及分布規律，尋找最優工況點，對電池高效、穩定、持久運行，具有重要意義.

Su等[3-4]通過模擬方法探索了溫度、濕度、壓力、氣體過量系數等操作參數對電池性能的影響.Kim等[5]分析了反應氣體加濕度對燃料電池性能的影響，認為陽極充分加濕而陰極不加濕的條件下質子交換膜仍能被充分潤濕.Amirinejad等[6]研究操作條件對電池性能的影響發現，在操作壓力較高的條件下提高溫度會使得電池性能提高.Santarelli等[7]通過實驗發現，只有陽極加濕的燃料電池性能會隨著操作壓力的提高而明顯提高，同時還能夠提高電池穩定性.Jang等[8]通過研究發現，陽極加濕溫度提高會使得電池性能提高.

文中針對在大電流密度、陰極無加濕、陽極加濕，陰陽極有背壓等操作特點下運行的PEM電池，利用計算流體動力學軟件，進行數值模擬，尋找電池最佳工況點.獲得的結論對于PEM電池的設計和操作具有參考意義.

1 計算模型

1.1 幾何模型

根據實際金屬板電池結構，建立三維單流道電池模型，因其結構對稱，為減少計算量，選取1/2流道區域建模，見圖1.外圍尺寸為50 mm×1.1 mm×1.435 mm，活性面積為55 mm2，氣體和冷卻水流道寬度與深度為0.5 mm×0.4 mm，集流板厚度0.1 mm，氣體擴散層厚度0.2 mm，催化層厚度0.01 mm，膜厚度0.015 mm.在進行網格靈敏性驗證后，確定總網格總數為89 000個.

圖1 幾何模型

1.2 控制方程

質子交換膜燃料電池是一個多相、多尺度的復雜系統.其內部流道及多孔介質內氣體的擴散、水的相變及流動，催化層內部的電化學反應、水在質子交換膜內的傳遞都同時發生并且相互耦合.描述上述現象及過程的主要控制方程包括如下的質量守恒方程、動量守恒方程、組份守恒方程、能量守恒方程、電荷守恒方程等.

(1)

-εp+·(εμu)+Su

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 操作條件

文中主要研究陽極和陰極加濕度分別為100%，0%條件下大電流運行時電池最優性能.陰陽極過量系數分別為1.5和2.5，出口背壓50，100，150，200 kPa，操作溫度和反應氣體的溫度為50，60，70，80，90 ℃.主要電化學參數及反應氣體物性見表1[9-10]，電池主要部件材料物性見表2[11-12].

表1 主要物性參數

表2 材料參數

2 結果與討論

圖2為模擬與實驗測試伏安曲線對比，由圖2可知,模擬值與實測值基本一致，同時也驗證了該模型可靠性.

圖2 模擬與實驗測試伏安曲線

圖3為1.5 A/cm2時不同操作條件下電池的電壓.隨著操作壓力的增加，因為反應氣體濃度增加，電池性能也逐漸增加.在相同壓力下，存在一個最佳性能的操作溫度.例如，在壓力為300 kPa時，隨著溫度從50 ℃開始增加，電池性能漸漸增加，在75 ℃左右到達最大值，之后又逐漸降低，這是因為電池性能受到氧氣濃度和膜潤濕性兩個因素的影響.在溫度較低時，液態水容易生成，催化層中液態水相飽和度較高，使得膜潤濕性較好，內阻較低；但同時較高的液態水相飽和度阻礙了反應氣體的傳輸，不利于電化學反應的進行；溫度繼續增加，兩種作用的趨勢相反，膜逐漸變得過于干枯，內阻增加，電池性能下降；在75 ℃左右時這種綜合作用得到了最佳的性能.

圖3 1.5 A/cm2時不同操作條件下電池性能

圖4為300 kPa下不同溫度時催化層中間平面液態水相飽和度分布.沿氣體流道從進口到出口方向，水汽逐漸積累，相飽和度也逐漸增加；右半邊處于冷卻水流道下而左半邊處于氣體流道下，溫度差異導致右邊液相飽和度總體高于左半邊.在50 ℃時，液相飽和度(即液態水占據的孔隙體積比例)高達17%，并且范圍較大，這種狀態必然有利于膜的潤濕而阻礙氧氣的傳輸.隨著溫度的升高，液相飽和度逐漸降低，80 ℃時僅局部有少量液態水，90 ℃時所有反應面積上都為干的.

圖4 300 kPa下不同溫度催化層中間平面相飽和度

圖5為300 kPa下膜中中間平面上磺酸基團水含量分布.其總體分布和液相飽和度的分布是一致的，隨著溫度的升高，水含量降低，即膜的潤濕性降低，質子電阻升高.

圖5 300 kPa下不同溫度膜中間平面水含量

圖6 St=2.5，θ=70 ℃，隨電流密度的變化

圖6是過量系數為2.5，溫度為70 ℃時Δq隨著操作壓力的變化關系，Δq定義為反應生產水與陰極出口氣體以飽和狀態帶走的水的差值.由圖6可知，Δq隨著壓力升高而增加，說明升高操作壓力可以使較多的水保留在MEA中，有益于膜的潤濕；降低操作壓力，被空氣帶走的水增加，MEA剩余的水分減少，因此膜容易變干，為保持膜較佳的潤濕狀態進而保持膜的性能，需要操作降低溫度.在操作壓力為200 kPa和150 kPa時，電池性能最優時對應的溫度分別為60 ℃和55 ℃，這些點構成了電池性能最優的溫度控制曲線，見圖3.

圖7是操作壓力為100 kPa下不同溫度膜中間平面水含量.同樣的電流密度與溫度下，與圖5相比較，膜的潤濕狀態顯著下降，反應在圖3中，是電池性能顯著下降.圖3中在100 kPa等操作壓力下電池性能并非單調變化，溫度增高時陰極側膜潤濕性降低，但陽極側保持100%加濕，實際帶入的水汽量增加，膜陽極側以及膜整體的潤濕有所改善；即使膜中水含量一定，隨著溫度的升高，水在膜內擴散系數會增加，水在膜內的分布會更加均勻，因此性能反而有增高趨勢，但總體上增量不大.

圖7 100 kPa時不同溫度膜中間面的水含量

人們除了希望PEM電池能有最佳的電輸出性能外，同時也希望在活性面積上電流密度等各物理場能均勻分布，這樣才可以使得電池長久、穩定運行.圖7和圖5對比，同樣的溫度下，壓力較高時膜中水含量分布較為均勻；同樣的壓力下，在溫度較低時因催化層液態水較多，使得膜中水含量較高且分布較為均勻.圖8為50 ℃與75 ℃時不同壓力膜中間面的電流密度分布.其中橫坐標為活性面積上出現的電流密度范圍，從0.9到2.1 A/cm2，以0.1 A/cm2分檔計算.在50 ℃、 300 kPa下，大部分區域工作電流密度為1.5～1.8 A/cm2，而隨著操作壓力的降低，工作電流密度逐漸分散在更大區域內，也即分布更加不均勻，這和前面分析的膜的水含量分布規律是一致的.在75 ℃ 100 kPa下，大部分區域工作電流密度為1.5～1.8 A/cm2，顯得比較均勻，這是因為此時膜偏干，膜干的“比較均勻”，而隨著操作壓力的增加，膜總體的潤濕性提高，但并不均勻，使得工作電流密度逐漸在更大區域內分散，也即分布更加不均勻，這種分布狀態不利于對電池長久、溫度運行，因此還需要在結構設計和運行管理方面進行改進.

圖8 50 ℃與75 ℃時不同壓力膜中間面的電流密度分布

3 結 論

1) 在1.5 A/cm2、陽極100%加濕、陰極無加濕條件下，隨著操作壓力的增加，電池性能增加.

2) 對于給定的操作壓力，存在一個最佳性能溫度，壓力增加，最佳溫度也隨之增加，在壓力為100，200，300 kPa時，最佳性能溫度分別為75，60，50 ℃.

3) 由于陰極不加濕，在最佳溫度時膜中的含水量分布及電流密度分布不均勻；在較低溫度下運行時電流密度分布均勻性隨著壓力的增加逐漸提高，但在較高溫度下運行時則相反.

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Optimization of Operating Conditions for PEMFC Running at Large Current Density

ZHANG Hongkai1,2)ZHAN Zhigang1,2)HE Xiaobo1,2)SHUAI Lu2)SUI Bangjie3,4)PAN Mu1)

(State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)1)(School of Power and Energy Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)2)(School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)3)(Institute for Integrated Energy Systems and Department of Mechanical Engineering, University of Victoria, Victoria V8W 2Y2, Canada)4)

Considering the performance and uniformity of the current density distribution, CFD software is used in this paper to simulate the PEM cells, which operate at large current density, no cathode humidification but full anode humidification, and backpressure, to seek for the optimized operating point. The main conclusions are as follows: for a given operating pressure, there is an optimal temperature which makes the fuel cell have the best performance, and the optimal temperature increases with the pressure; the best temperatures for 100,200 and 300 kPa are 75,60 and 50 ℃, respectively. Since the cathode is not humidified, the membrane water content distribution and current density distribution are not uniform at the optimum performance temperature point; the current density distribution uniformity increases with pressure at lower temperatures, but it has the opposite trend at higher temperatures.

PEMFC; current density; water transport; operating conditions; optimization

2017-02-23

*國家自然科學基金項目(21676207)、國家重點研發計劃“新能源汽車”試點專項課題(2016YFB0101207)資助

TM911.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.033

張洪凱(1993—)：男，碩士生，主要研究領域為燃料電池傳輸現象和新能源動力裝置及系統