質子交換膜燃料電池流道尺寸對電池性能的影響

摘 要：采用計算流體動力學軟件Fluent中的質子交換膜燃料電池PEMFC模塊，對流道深度進行數值模擬優化。建立質子交換膜燃料電池單電池模型，研究不同流道深度對燃料電池性能的影響。仿真結果表明，直道型流場的深度越小，電池性能越好，但是過小的流道深度會造成壓力損失變大。綜合考慮，流道深度取值為0.6mm時，電池輸出性能較優。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；Fluent；流道

中圖分類號：TM911.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0141-02

Effect of Flow Path Size of Proton Exchange Membrane

Fuel Cell on Battery Performance

CHEN Lei GUO Pengyan ZHANG Ruizhu YAN Dakao

（College of Mechanical， North China University of Water Resources and Electrical Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： A numerical simulation optimization of flow channel depth was carried out by using the proton exchange membrane fuel cell module in CFD software. A single battery model of proton exchange membrane fuel cell was established to study the effect of different flow depth on fuel cell performance. The simulation results showed that the straight flow depth was smaller， the battery performance was better， but too small of the flow depth could cause the increase of pressure loss. In comprehensive consideration， when the channel depth is 0.6mm， the battery output performance is better.

Keywords： proton exchange membrane fuel cell；Fluent；flow channel

質子交換膜燃料電池是一種清潔能源裝置，由于其發電原理不依賴于氫氧燃燒，所以具有不受卡諾循環限制的特點，有較高的能量轉換效率。構成電堆的單電池主要由陽極、陰極和質子交換膜構成，陽極通入氫氣發生氧化反應，陰極通入空氣發生還原反應，主要副產物是水，具有無污染、低噪聲、高效率、高啟動速度等優點，是未來能源裝置的有力競爭者[1]。目前，燃料電池的反應機理、影響燃料電池輸出的參數等一些關鍵參數仍處于研究之中。本文在借鑒前人研究成果的基礎上，通過計算流體力學軟件Fluent對質子交換膜燃料電池進行建模仿真，研究流場尺寸對燃料電池輸出性能的影響，對比得出較優的尺寸參數。

1 Fluent建模

燃料電池Fluent流道模型的結構尺寸和網格劃分如表1所示。

燃料電池Fluent流道模型如圖1所示。

1.2 邊界條件和物性參數

操作溫度設置為80℃；陰極過量系數為2，陽極過量系數為1.5；陰極進氣口壓力為20kPa，陽極進氣口壓力為10kPa；水的飽和指數為2。

在計算之前，需要作出如下假設：①反應氣體為理想氣體，并且不可壓縮；②陰、陽極只考慮擴散，不考慮氣體對流；③氣體流道進出口沒有負壓；④設定電池進出口溫度不變，不考慮溫度的影響；⑤電池所用材料的熱導率是常數。

1.3 仿真方案

在上述幾何模型的基礎上，保持其他參數不變，依次改變流道的深度為0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm。仿真模擬得出流道深度對燃料電池性能的影響，比較得出較優的流道深度。

2 模擬分析結果

根據Fluent后處理得出的結果，可以得到圖2。由圖2可知，在保持燃料電池模型其他參數不變的情況下，隨著流道深度的逐漸減小，電池的性能不斷提高。這是由于保持進氣流量不變，改變流道深度，便改變了截面積的大小，因此會導致流道內部氣體流速的增加。根據達西定理可知擴散層內的流速與壓差呈反比關系。所以，壓差增大導致擴散層和催化層的氣體質量增加，反應氣體的濃度增加。所以，隨著流道深度的減小，電池性能不斷提高。

由圖3可知，在流道深度過小時，陰極流道的壓力損失變大，不利于靠近出口處的氣體向擴散層和催化層擴散。同時，由于壓力損失變大，也不利于燃料電池反應生成的水蒸氣的排出，容易造成水淹現象而影響燃料電池的性能。

圖4為沿流道方向的陰極流道中心正下方催化層與擴散層交界面的氧氣的量濃度分布，陽極流道岸中心正下方催化層與擴散層交界面的氫氣的量濃度分布與圖4相似。可以看出隨著流道深度的減小，催化層和擴散層交界面上氣體的量濃度逐漸增加。

綜合考慮流道深度對壓力損失、氣體的量濃度的影響，當深度取值為0.6mm時，輸出性能較優。

3 結論

利用Fluent軟件對質子交換膜燃料電池的流道尺寸進行了仿真模擬，研究流道深度對燃料電池性能的影響，得到以下結論：質子交換膜燃料電池的性能和流道的深度有關，隨著流道深度的逐漸減小，電池的性能逐漸變好，但并不是流道深度越小越好。當流道深度過小時，會造成流道壓力損失過大，影響氣體向擴散層和催化層擴散，不利于燃料電池性能的提高。質子交換膜燃料電池的流道深度在0.6mm時，電池的綜合性能較好。

參考文獻：

[1]吳懋亮，曹壽峰，顧竹筠.流道結構對質子交換膜燃料電池工作性能的影響[J].上海電力學院學報，2012（6）：532-536，540.