開孔率對臺階形流道性能影響研究

趙富強，張彥雷,2，董洪泉，丁小鳳，閆永臣

(1.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西太原030024；2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊261069；3.大同新研氫能源科技有限公司，山西大同037399)

流場設計是針對質子交換膜燃料電池(PEMFC)極板流場開孔率、幾何形狀、幾何尺寸等方面的研究，是雙極板設計的核心內容[1]。開孔率指流場內流道面積占流道與脊背面積之和的比例[2]，是PEMFC 性能優化的一個重要參數指標，是影響PEMFC 的傳質、流場排水性和電化學反應性能的關鍵因素。在新極板構型的設計開發中，針對極板開孔率的研究是不可或缺的重要環節。

現有針對開孔率的研究主要集中在探究不同流道和脊背占比對等截面流道性能的影響。COOPER 等[3]研究了流道和脊部寬度對PEMFC 性能的影響，研究表明在平行流場中，可以通過減小流道和脊背的寬度來提升流場性能。張海峰等[1]研究了幾何尺寸和開孔率對平行流場性能的影響，揭示了在采用空氣作為反應介質時，開孔率越大電池性能越好；在相同開孔率的情況下，流道尺寸越小電池性能越好的規律。JEON[4]探究了交指流場流道和脊背寬度對水遷移的影響，結果表明較高的流道和脊背寬度能避免氣體擴散層脊背下積水，但是可能導致極板傳質性能受到限制。唐嘉鈺等[5]通過對不同脊槽比、寬度的單通道電池進行研究，分析了陰極極板構型對空冷電堆傳質和傳導特性的影響，得到空冷電堆脊槽比為3 時輸出電壓性能最佳的結論。吳孟飛等[6]研究了流道與脊背寬度對蛇形流場性能的影響，得出相對最優流道寬度與脊背寬度為1 mm 的結論。上述研究表明：開孔率對平行、蛇形、交指等等截面流道的性能均有重要影響，不同開孔率對流道的電化學、水管理等性能影響效果并不相同，需從不同角度來選擇合適的流場開孔率。

針對變截面流道開孔率的研究相對較少，WANG 等[7]提出了一種不同寬度的錐形流場，通過實驗和仿真研究，證明流道寬度逐漸減小的錐形流場可以顯著提高流道除水能力，提升電池在高電流密度下的性能。HU 等[8]研究了變截面寬度對甲醇燃料電池蛇形流場性能影響，研究表明非均勻收斂設計改善了甲醇濃度和電流密度的均勻性，電池發電性能提升18.4%。然而，不同流道截面變化形式對電池產生的影響規律并不相同，需根據流道實際結構來分析變截面對電池性能影響規律。

臺階形流道是一種通過在流道中設置臺階面使流道面積發生變化的局部變截面流道[9]，為了研究這種變截面流道，給定氣體擴散層、催化層、質子交換膜厚度條件時，開展不同開孔率下電池極板性能的研究，通過分析陰極氧氣濃度分布、陰極水濃度分布和極化曲線的變化情況，探討臺階形流道開孔率對流場內傳質、排水性和電化學性能方面的影響。

1 臺階形流道模型

1.1 幾何模型

臺階形流道模型如圖1所示，當陽極流道中的氫氣經由流道深度較高的區域流向流道深度較低區域時，流道中氫氣壓力減小，流速增大，有利于流道內增濕氣體的擴散；相似的，當陰極流道中的氧氣經由流道深度較高的區域流向流道深度較低區域時，流道中氧氣壓力減小，流速增大，有利流道后段生成水的排出。臺階間氣體擾流特性增加，促使反應氣體向氣體擴散層擴散，到達催化層，提高反應氣體的利用率[9]。

圖1 臺階形流道模型示意圖

現階段Toray、臺灣碳能等企業制造的氣體擴散層厚度為0.09～0.38 mm[10-11,15]，豐田等企業催化層厚度為0.002～0.018 mm[12,15]，Gore、科慕等企業質子交換膜厚度為0.008～0.254 mm[13-15]。結合實際厚度并參考文獻[16-19]，設定模型中陰極和陽極氣體擴散層厚度為0.38 mm，陰極和陽極催化層厚度為0.05 mm，質子交換膜厚度為0.1 mm，上述參數也可依據實驗的各參數設定，以提高燃料電池性能。其他模型結構尺寸設定見表1。

表1 模型結構尺寸

1.2 模型假設

仿真過程設定理想氣體以層流狀態流入穩態恒溫燃料電池，陰、陽極的反應氣體不穿透質子交換膜；多孔介質為各向同性且為勻質狀態；陽極只有氫氣和水，陰極只有氧氣、氮氣和水，反應產物為氣態水。

1.3 控制方程

燃料電池流體力學仿真基本方程如下。

(1)質量守恒方程：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；μ為速度向量；ε為多孔介質孔隙率。

(2)動量守恒方程：

式中：α表示氣體組分，分別為O2、H2、N2和H2O；C為質量分數；等式右半部分為相內擴散項。

(3)能量守恒方程：

對于氣體擴散層有：

對于質子交換膜有：

式中：λeff為有效導熱系數；cp為定壓比熱容，J/(kg·K);σe為電子電阻，Ω；κp為質子電阻，Ω；T為溫度，K。

(4)組分守恒方程：

式中：γα為多相修正系數；D為擴散系數。

2 仿真

考慮到流場的周期重復性，為減小計算量，縮短計算時間，選取單流道為計算區域[5]，氣體流動方向為右下至左上，計算區域如圖2所示。仿真過程中，通過固定流道寬度為1 mm，改變脊背寬度w2來探究不同開孔率下電池性能，仿真方案如表2。

圖2 計算區域

表2 仿真方案

設定氣體入口邊界處，混合氣體中氧氣和水蒸氣質量分數分別為22.8%、2.3%，反應氣體相對濕度設定為100%；陰極和陽極進氣速度分別為0.446 和0.185 m/s，氫氣化學計量比為1.3，氧氣化學計量比為2[20]。在氣體出口邊界，以大氣壓力為參考值，給定出口壓力。電池陰極側極板表面電勢為工作電壓；電池陽極側下表面電勢設為0 V。

3 結果與討論

3.1 氧氣濃度分布

5 種方案的臺階形流道氧氣濃度變化如圖3所示。其中電池電壓為0.4 V，圖中取值面位置為陰極催化層中間面，曲線取值位置為陰極流道中心線。

圖3 不同開孔率下陰極催化層氧氣濃度分布

由圖3 可知，在流道寬度為1 mm 的前提下，脊背寬為0.6 mm 的流道氧氣含量最多，其氧氣濃度差值為4.37 mol/m3。其余流道氧氣含量隨開孔率的增加而遞減，其氧氣濃度差值分別為4.66、4.78、4.721 和4.647 mol/m3。氧氣濃度差的大小可以反映催化層中氧氣分布的均勻性，濃度差越小，流道傳質能力越強，可以推遲濃差極化的出現，進而提升PEMFC 性能。方案(a)的氧氣含量最高，氧氣分布最為均勻，方案(b)次之，其他方案在氧氣含量和氧氣濃度差方面表現相對較差。

3.2 陰極水濃度分布

相同條件下，5 種方案的臺階形流道陰極水濃度變化如圖4所示。圖中，單元電池電壓取值為0.4 V，流道陰極水濃度切面過陰極流道中心線。

圖4 表明，方案(a)水濃度差值最小，為8 mol/m3；其次是方案(b)，水濃度差為8.55 mol/m3；方案(e)在5 組方案中水濃度差值最大，為9.45 mol/m3。陰極流道內水濃度差隨著開孔率的增加而增加，而流道內水濃度越高，流道內的水越容易液化堆積，引起“水淹”現象的出現。由圖中水濃度差值可知，低開孔率的流道排水性能更好，不易出現“水淹”現象。

圖4 不同開孔率下陰極流道水濃度分布

3.3 極化曲線

相同條件時，5 種臺階形流道的極化曲線如圖5所示。PEMFC 輸出電流越多，電池的電壓輸出就會相應地降低，從而限制PEMFC 可釋放的總功率。由電壓-電流曲線和功率密度曲線組合圖可知，對于功率密度而言，5 種方案的流道均在0.4 V 左右的電壓下達到峰值。方案(a)的功率密度峰值為0.358 W/cm2，方案(b)的功率密度峰值約為0.347 W/cm2，方案(e)的功率密度峰值約為0.283 W/cm2。方案(a)相較方案(e)功率密度峰值提升26.5%。

圖5 電壓-電流（V-I）、功率密度（P-I）曲線組合圖

對于電流密度而言，單位電壓下降幅度下，方案(a)流道電流密度增加最快，方案(b)流道次之，方案(e)流道增加最慢。方案(a)在電池電壓為0.4 V 時，電流密度約為0.89 A/cm2左右，方案(b)流道在0.4 V 時的電流密度為0.86 A/cm2左右，而方案(e)流道在0.4 V 時的電流密度為0.76 A/cm2左右；方案(a)相較方案(e)電流密度提升17.1%。

4 結論

本文針對一種臺階形流道，通過構建多物理場仿真模型，研究5 種不同開孔率對臺階形流道性能影響規律。

(1)極板構型可直接影響臺階形流道的氧氣濃度和氧氣濃度差，開孔率為62.5%的臺階流道氧氣濃度更高，氧氣濃度差更小。開孔率在62.5%～40%時，開孔率越高，流道內水濃度越低，電池排水性能越好，水分布也會更均勻。

(2)5 種開孔率的流道均在0.4 V 左右的電壓下達到功率密度峰值，相同電壓下降幅度下，開孔率較高的流道電流密度增加更快；相同流道寬度的條件下，開孔率為62.5%的流道相較于開孔率為40%的流道功率密度峰值提升26.5%，電流密度提升17.1%。