船舶振動對質子交換膜燃料電池性能的影響分析

溫小飛，王曼麗，賈英杰，詹志剛

(1.浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022；2.武漢理工大學，材料復合新技術國家重點實驗室，湖北武漢 430070)

質子交換膜燃料電池因其低噪音、無污染、能量轉化率高等優點已逐漸成為21 世紀應用前景最廣泛的綠色能源發電裝置之一[1]，如今已在燃料電池汽車、客車、有軌電車等陸上交通工具開展試運行及示范[2]。同時，其也為了船舶行業存在一直未能有效解決的環境污染問題例如有害氣體排放、振動、噪聲[3-4]等提供了可期的系統性技術解決方案，從而引起了越來越多的國內外研究人員關注并開展質子交換膜燃料電池在船舶領域的應用關鍵技術問題研究，而船用環境適應性問題又成為其首要問題，其中包含了船舶振動、噪聲、六自由度運動、空氣鹽堿度等影響因素。針對該問題，國內外專家學者已開展了一系列研究工作：2009 年BREZINER，et al[5]建立了振動對氣體擴散層水運輸影響的數學模型并進行了單電池振動試驗，結果表明：振動會造成電池性能下降；2011 年HOU Yongping，et al[6]等通過強化振動試驗發現：燃料電池堆的安全性能隨著振動的進行出現明顯衰減現象，電池堆的氣密性、絕緣阻值、開路電壓均下降；2016 年WANG Xueke，et al[7]通過觀察不同振動頻率下PEMFC 電壓曲線以及水輸運過程，得出：當振動頻率較低時電池性能略有改善，隨著振動時間增加，流道里水蒸氣凝聚形成液態水從而干擾傳質并導致電壓波動。

目前針對船舶振動對質子交換膜燃料電池性能影響方面的研究成果為數不多，且以試驗研究為主。本文應用傳統的質子交換膜燃料電池數學模型，考慮了船舶振動載荷影響，進行了單流道質子交換膜燃料電池性能的數值仿真，比較分析了有、無振動載荷情況下質子交換膜燃料電池性能參數變化規律。

1 PEMFC 的工作原理

質子交換膜燃料電池主要由質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)、氣體催化層(catalyst layer，CL)、氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)、雙極板(bipolar plate，BP)等部件組成如圖1 所示。其中，質子交換膜隔離電池的陰、陽兩極并為形成質子(氫離子)傳輸路徑；催化層是進行電化學反應的場所；氣體擴散層主要為反應氣體擴散、液態水去除提供通道。通常情況下，PEM、CL 以及GDL 結合組成膜電極組件(membrane electrode assembly，MEA)；雙極板又稱集流板，其兩面都有流道，主要起到均勻分布氣體、串聯單個電池、收集傳導電流、支撐膜電極以及帶出電化學反應生成水的作用。

圖1 PEMFC 結構與工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and working principle of PEMFC

PEMFC 工作原理是電解水的逆過程，氫氣和氧氣分別由陽極和陰極的雙極板流道進入擴散層，經氣體擴散層到達催化層，在催化層發生電化學反應，其中陽極的H2在陽極催化層中被分解為質子(H+)和帶負電的電子。陽極的H+經質子交換膜到達陰極，電子不能穿過膜材料則通過外電路到達陰極催化層，電子在這個運動過程產生了電流。同時，在陰極催化層與H+以及通過陰極流道、擴散層到達陰極催化層的O2發生化學反應生成水。因此，質子交換膜燃料電池總反應可表示為式(1)。

單個PEMFC 的實際工作電壓一般為0.7 V，功率為0.6 W·cm-2，實際使用時通常根據所需功率、電壓將多個單電池以串、并聯方式進行組合，即為質子交換膜燃料電池電池堆(組) 如圖2 所示。在圖2中，雙極板與膜電極組件以及相應的密封單元交替重復，一端為電池組陽極流氫氣，另一端為電池組陰極流空氣。

圖2 PEMFC 電池堆示意圖Fig.2 Schematic diagram of PEMFC battery stack

2 船舶振動

船舶航行過程中船舶結構振動較為復雜，主要由隨機振動、正弦振動及其混合振動信號組成[8]，并以累積、周期性振動形式作用于船體與設備；其振動類型主要包括：船體振動、上層建筑振動、軸系振動、機械設備振動和流體系統振動[9]，如表1 所示。

對于船用設備而言，其振動頻率范圍一般低于100 Hz[10]，同時根據《機械振動 船舶設備和機械部件的振動試驗要求》規定了的船用電氣設備振動試驗參數范圍，其振動位移即振幅限值不超過1.6 mm，振動頻率適用范圍0～100 Hz，具體如表2 所示。因此，本文質子交換膜燃料電池性能仿真計算僅選取具有代表性的船舶振動載荷即振動頻率為5 Hz、振幅為1.6 mm。

表1 船舶振動類型及振動形式統計表Tab.1 Statistical table of ship vibration type and vibration form

表2 船舶設備振動試驗標準列表Tab.2 Test standards of marine equipment vibration

3 數值仿真

3.1 幾何模型

質子交換膜燃料電池性能仿真采用了單流道模型如圖3 所示，仿真模型基本參數：外圍尺寸為50 mm×1.1 mm×1.435 mm，其中流道長50 mm，流道的寬度和深度為0.5 mm×0.4 mm，集流板厚度為0.5 mm，氣體擴散層厚度為0.2 mm，催化層厚度為0.01 mm，質子交換膜厚度為0.015 mm。由于質子交換膜燃料電池各層在3 個方向的尺度存在著一定數量級的差異性，且電化學反應主要在催化層發生，因此需要對催化層網格質量和數量進行控制，以保證計算結果精度。在網格精細化處理后，進行了網格靈敏性驗證，最終計算模型的網格數為128 000 如圖4 所示。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

圖4 模型網格Fig.4 Model grid

3.2 邊界條件與參數設置

質子交換膜燃料電池模擬的工作環境為343 K，陽極氣體加濕度100%，陰極無加濕；流道進口采用質量流量進口邊界條件，陽極的進口流量3.383253e-08 kg·s-1，其中氫氣的質量分數為0.38，其余為水蒸氣；陰極氣體的進口流量為7.339254e-07 kg·s-1，其中氧氣的質量分數為0.233，其余為氮氣；出口均采用壓力出口邊界條件，出口背壓為100 kPa；陰陽極過量系數分別為2.5 和1.5。壁面采用無滑移固定壁面，計算電流密度為1.5 A·cm-2的電池電壓輸出值。主要電化學反應氣體物性參數及主要部件材料物性參數詳見表3。

表3 主要物性參數Tab.3 Main parameters of PEMFC

3.3 船舶振動加載方法

考慮船舶振動影響的質子交換膜燃料電池性能仿真屬于瞬態問題，根據船舶振動特征，采用了滑移網格技術來實現對振動載荷的加載，選取了船舶垂向振動作為振動載荷，且假設其為簡諧振動。通過編寫用戶自定義函數(UDF)宏DEFINE_ZONE_MOTION 定義振動頻率、幅度，且為保證有振動、無振動兩種工況分析對比的科學性，在數值模擬過程中，各項邊界條件設置兩種工況均相同。

3.4 求解

為了分析船舶振動環境對質子交換膜燃料電池性能的影響，選取8 組不同電流密度計算電池輸出電壓值，分別為0.1 A·cm-2、0.3 A·cm-2、0.5 A·cm-2、0.7 A·cm-2、0.9 A·cm-2、1.1 A·cm-2、1.3 A·cm-2、1.5 A·cm-2，利用計算流體力學軟件Fluent PEMFC 模塊進行數值模擬，壓力速度耦合方式選用SIMPLE 算法，首先進行無振動工況仿真求解，得到定常流場，用于無振動工況后處理；之后，以定常流場作為瞬態計算的初始值，打開滑移網格設置并載入船舶振動載荷UDF，根據正弦振動信號的頻率設置相應的時間步長和迭代步數，改變求解設置即穩態改為瞬態，進行非定常流場仿真求解。

4 比較與分析

根據質子交換膜燃料電池性能影響因素及其評價特征參數，對其流場、氣體分布、電池性能曲線進行了比較分析，從而討論了船舶振動載荷對質子交換膜燃料性能的影響情況。

4.1 流場分布

在進行數值模擬的過程中，其他各項邊界條件均與不振動的工況下的邊界條件是相同的，圖5(a)、(b)分別為無振動工況下、有振動工況下電池內部流體的速度分布圖，由圖5(a)可以看出速度在質子交換膜燃料電池內部的分布規律，沿著流動方向，速度場很快形成了規則的分布規律；但是圖5(b)振動工況下電池有效氣體流道速度場發生擾動，會影響質子交換膜燃料電池的性能。

圖5 流場分布圖Fig.5 Distribution of the flow field

4.2 氣體分布

流場中氣體含量最大與最小值之差，其大小可以反映出氣體在流場中的分布均勻情況。相同的邊界條件下，兩種工況下質子交換膜燃料電池陽極氫氣質量分布、陰極氧氣質量分布分別如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7 可知，從入口到出口氣體質量分數均呈逐漸減小的趨勢，無振動工況下氫氣的質量分數最大為0.55，振動工況下氫氣最大質量分數為0.5；振動工況下氧氣質量分數有小幅度降低。所以振動會弱化反應氣體在流場的擴散作用，從而使得質子交換膜電池性能有所下降。

圖6 陽極入口到出口氫氣質量分布云圖Fig.6 Cloud image of hydrogen mass distribution from anode inlet to outlet

圖7 陰極入口到出口氧氣質量分布云圖Fig.7 Cloud image of oxygen mass distribution from cathode inlet to outlet

4.3 電池性能

質子交換膜燃料電池性能主要通過電流密度-電壓變化曲線、電流密度-功率密度變化曲線等進行表征，在有、無船舶振動情況下質子交換膜燃料電池性能曲線如圖8 所示。對于電流密度-電壓變化曲線而言，相同電流密度下，振動會造成質子交換膜燃料電池電壓下降，電池性能降低。從電流密度-功率密度變化曲線來看，相同電流密度下，振動會造成質子交換膜燃料電池功率密度下降。具體而言，在電流密度為1.5 A·cm-2時，無振動工況下電池電壓為0.551 6 V，振動情況下電池電壓降為0.540 2 V，電池功率密度下降了2%，與文獻[12]試驗結果(振動與沖擊載荷下燃料電池堆輸出功率下降了3.5%)較吻合。

圖8 PEMFC 性能變化曲線圖Fig.8 Performance curves of PEMFC

5 結論

船舶振動環境會對質子交換膜燃料電池速度場造成擾動，干擾其氣體流場分布規律，從而影響內部組分傳輸，并導致質子交換膜燃料電池性能發生一定程度衰變；船舶振動載荷(5 Hz，1.6 mm)影響下，質子交換膜燃料電池性能曲線呈下降趨勢，在電流密度為1.5 A·cm-2時其電壓、功率密度均下降了2%。船舶環境影響不僅僅船舶振動，還有其他方面的影響，后續工作除了對更多船舶振動載荷影響進行研究外，還需進一步考慮多種影響因素影響及其耦合影響，并開展質子交換膜燃料電池性能控制方面技術研究。