考慮水膜存在的PEMFC流場的優(yōu)化模型

杜新，張丹陽，王金龍

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

考慮水膜存在的PEMFC流場的優(yōu)化模型

杜新，張丹陽，王金龍

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

在PEMFC的研究中，雙極板流場一直是一個非常關(guān)鍵的研究部分。如今對雙極板流場的研究，多基于反應(yīng)產(chǎn)物水僅以氣態(tài)形式存在，然而在實際的反應(yīng)中，尤其在大電流密度下，擴散層中有液態(tài)水產(chǎn)生并在電解質(zhì)表面形成水膜，影響著燃料電池的使用性能。引入液態(tài)水水膜對PEMFC性能的影響，推導(dǎo)出新的電流密度公式，使其更符合真實反應(yīng)情況，并建立了更準(zhǔn)確的三維陰極模型對交指形流場尺寸進行優(yōu)化，得出在寬度為1cm的雙極板上制造出4組流道且其進出流道寬度比為1.5∶1時更好。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；流場；擴散層；水膜

雙極板的優(yōu)化設(shè)計是微型燃料電池中重要的研究內(nèi)容之一。雙極板通過流道向膜電極提供反應(yīng)氣體、收集電流、保護膜電極，管理電池中產(chǎn)生的水和熱。研究人員在雙極板的材料、加工、流道的形狀、尺寸、拓?fù)鋬?yōu)化等許多方面開展了大量的研究［1］，如今最常見的流場結(jié)構(gòu)主要有平行流場、蛇形流場和交指形流場［2］等。由于計算能力的限制，目前關(guān)于雙極板流場的仿真絕大部分都是建立在氣相假設(shè)基礎(chǔ)上。然而在大電流密度情況下，研究表明液態(tài)水對電池性能的影響不可忽略［3］。本文考慮液態(tài)水對電流密度的影響，建立了一種新的適用于流道仿真的電流密度控制方程，并使用新模型對交指形流道的尺寸進行優(yōu)化，為提高電池性能提供更真實的數(shù)據(jù)。

1PEMFC的數(shù)學(xué)模型

1.1 模型假設(shè)

為簡化計算，本文假設(shè)：（1）所有氣體均認(rèn)為是不可壓縮的理想氣體；（2）燃料電池處于穩(wěn)態(tài)；（3）忽略模型中陽極活化極化的影響；（4）燃料電池的整個反應(yīng)中處于恒溫；（5）模型為三維模型。

1.2PEMFC極化模型建立

在流道和擴散層內(nèi)，氣體對流和擴散方程為：

在擴散層內(nèi)，液態(tài)水的控制方程為：

式中，s是相對飽和度，Dc為毛細擴散系數(shù)，Qbr、和R為源項。考慮相變的影響，具體公式定義可i參考文獻［4］。本文的物理參數(shù)和參考文獻［5］相同。

1.3 電化學(xué)動力學(xué)模型

在流道設(shè)計中，為簡化計算，電流密度只分布在模型的邊界上，控制方程為Butler-volmer公式：

其中，Co2,l/s為到達催化層表面的氧氣濃度，其余參數(shù)定義與文獻［4］相同。

考慮液態(tài)水影響，在催化層表面引入一層水膜。對液態(tài)水水膜厚度可根據(jù)下式得到：

氧氣通過水膜到達電解質(zhì)膜表面的濃度由下式得到：

聯(lián)合公式（4）-（7），得到：

利用COMSOL4.4模擬仿真得出PEMFC極化曲線，將不考慮水膜和考慮水膜存在的模型的結(jié)果進行比較，如圖1所示。

圖1 考慮水膜和不考慮水膜模型極化曲線

通過對比圖1中考慮水膜和不考慮水膜模型的極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，考慮液態(tài)水影響的模型更接近實驗數(shù)據(jù)。

2 仿真結(jié)果與討論

流場的物理參數(shù)和催化層厚度與文獻［5］的保持一致。來流為空氣，入口邊界給定壓力為1.5大氣壓，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.14486，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.21。出口壓力為1大氣壓。給定電池電壓0.4V。在流道與擴散層交界處，水的飽和度s=0。

2.1 流道組數(shù)對電池性能的影響

設(shè)定雙極板寬度為1cm，保證流道寬度與流道間距的尺寸1：1，流道組數(shù)（一組流道指一進一出兩條流道）為2～7組進行計算，得出極化曲線如圖2所示。

圖2 輸出電壓為0.4v時組數(shù)與電流密度關(guān)系圖

如圖2所示，可以看出流道組數(shù)在2～5組，隨著流道組數(shù)越多電池的電流密度越大，這是因為流道組數(shù)越多，到達催化層發(fā)生反應(yīng)的氣體越多，電流密度自然越大。當(dāng)流道組數(shù)增加到6組和7組時，電流密度有小幅度的降低，這是因為流道組數(shù)變多，流道與流道的間距變小，入口通道的氣體通過擴散層后更容易到達出口通道，流出流場，降低了反應(yīng)氣的利用率。綜上，從加工制造的難易程度以及電池性能兩方面考慮，加工4組通道是相對較好的選擇。

2.2 進出流道寬度比對電池性能的影響

在確定了交指形流場中選擇4組流場較好的前提下，本文還對入口流道的寬度與出口流道寬度的比值對電池性能的影響進行了研究。在流道深度不變、流道間距與出口流道寬度相等的前提下，分別令入口流道的寬度與出口流道寬度的比為0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1五種情況進行比較，其極化曲線如圖3所示。

圖3 輸出電壓為0.4v時寬度比與電流密度關(guān)系圖

如圖3所示，隨著進出流道寬度比的增加，電流密度逐漸增加，但是增加幅度逐漸降低。在雙極板面積一定的情況下，進出口流道的寬度比增加，就意味著出口流道寬度的減小，加工難度就會增大。因此，綜合來看，選擇寬度比為1.5∶1較為合適，電流密度相對較高，同時出口流道不至于過窄，降低了加工難度。

3 結(jié)論

本文引入液態(tài)水對擴散層結(jié)構(gòu)的影響，建立了更符合實際情況的三維陰極模型來優(yōu)化雙極板流場的尺寸，提高其使用性能。通常加工一個燃料電池單元的雙極板寬度為1cm，仿真結(jié)果表明，無論從加工的難易還是燃料電池性能考慮，流道組數(shù)為4且進出口流道寬度比為1.5∶1時效果更好。

［1］ Li X，Sabir I.Review of bipolar Plates in PEM fuel cells：Flow-field designs［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2005，30（3）：359-371.

［2］ 馬利.微型燃料電池雙極板的研究現(xiàn)狀［J］.電源技術(shù)，2014，138（7）：1380-1383.

［3］ 杜新，胡揚，王金龍.考慮水膜結(jié)構(gòu)的PEMFC團聚體二相流模型［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，39（3）：70-72.

［4］ Lei Xing，Liu Xiaoteng，Taiwo Alaje，et al.A two-Phase flow and non-isothermal agglomerate model for a proton exchange membrane（PEM）fuel cell［J］.Interna?tional Journal of Hydrogen Energy，2014，73（5）：618-634.

［5］ Wang Chao-Yang.Two-phase transport and the role of micro-porous layer in polymer electrolyte fuel cells［J］. Electrochimica Acta，2004，49（3）：4359-4369.

Research on Optimization Model of PEMFC Flow Field Considering the Existence of Water Film

DU Xin，ZHANG Danyang，WANG Jinlong
（School of Mechatronical Engineering，Changchun university of Science and Technology，Changchun 130022）

In the research of PEMFC，the flow field of bipolar plate has been a very important research part.Now the bipolar plate flow field research，the water of multi reaction products existed only in the form of gas.But in the actual reaction and espe?cially in the high current density，when liquid water and water film formed in the electrolyte surface diffusion layer，the perfor?mance of fuel cell is affected.In this paper，the liquid water film effecting on the performance of PEMFC is introduced，a new formula of the current density is derived，which is more consistent with the real situation of the reaction，and the three-dimen?sional model more accurately shaped cathode flow field is set up to optimize the interdigital size，the width of 1cm bipolar plate to produce 4 sets of channels，and the better ratio of import channel width is 1.5∶1.

proton exchange membrane fuel cell；channel；gas diffusion layer；water film

TM911

A

1672-9870（2017）03-0064-03

2016-12-19

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20150204009SF）

杜新（1975-），男，博士，講師，E-mail：duxin225@sina.com