質子交換膜燃料電池蛇形流場結構的數(shù)值模擬

孟慶然，劉金東，張慧良，陳海倫，田愛華

(1.吉林化工學院 航空工程學院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

質子交換膜燃料電池的蛇形流場已被廣泛應用于流場結構的設計當中，由于其特殊的幾何特性，不僅可以使多條平行的流道長度相等，也能使混合氣體的流動壓降非常接近[1]，從而令反應氣體均勻分布在燃料電池的反應區(qū)域，盡可能提高燃料電池中燃料的利用率、優(yōu)化反應氣體的分布以及水的排出，達到優(yōu)化燃料電池性能的目的[2-3].

從文獻中可以觀察到，大部分對于蛇形流道的數(shù)值研究[4-6]和實驗研究[7-9]都是采用單流道或者小活化面積，并且流道拐角處采用直角的設計形式.通過優(yōu)化設計，建立了長為5 cm、寬為5 cm、有效反應面積為25 cm2的蛇形、圓角流場、大活化面積的PEMFC陰極模型，通過不同蛇形流道數(shù)以及拐角結構進行對比分析.研究表明：單、雙、三蛇形結構流場相比，三蛇形流場的壓力損失相對較?。粓A角流場有助于降低流道的壓降；而大的活化面積有利于物質在流道內的充分流動與擴散，以達到改善電池性能的目的.

1 模型的建立

1.1 幾何模型

為了分析蛇形流場燃料電池流道數(shù)與拐角結構對電池性能的影響，建立了如圖1所示的蛇形流場質子交換膜燃料電池陰極模型，圖形結構以三蛇形燃料電池流場陰極結構模型為例進行說明.

圖1 三蛇形燃料電池陰極結構示意圖

1.2 數(shù)學模型

質子交換膜燃料電池的電化學動力學方程有許多，其中在流道內需要具備一定壓力差(壓降)，才能保證反應氣體的流動與擴散，進而提高反應速率.在流體力學中，流動壓損主要包括：沿流道的壓力損失，如公式(1)所示；局部壓力損失，如公式(2)所示.

沿流道壓力損失：

(1)

式中：l、d分別為流道長和當量直徑；ρ、v、λ分別為流體密度、平均流速和沿程阻力系數(shù).

局部壓力損失：

(2)

式中：ξ為局部阻力系數(shù).

在COMSOL Multiphysics軟件中插入上述方程，并對其參數(shù)進行設置.

1.3 邊界條件和物性參數(shù)

模擬中所用到的主要邊界條件和物性參數(shù)，如表1所示.

表1 模擬中主要的邊界條件和物性參數(shù)

1.4 模型的假設

模型基本假設為：1.只考慮陰極側電池的運行狀態(tài)；2.電池處于70 ℃等溫、穩(wěn)定的工作狀態(tài)；3.設置出口背壓均為0 atm；4.多孔擴散層為各向同性.

1.5 網(wǎng)格劃分

對于仿真建模來說，網(wǎng)格劃分是其中最關鍵的一個步驟.網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計算的精度與速度，合理地網(wǎng)格劃分，能夠在保證結果準確的前提下快速得出模擬結果.由于燃料電池不同區(qū)域結構、作用都有所差異，對網(wǎng)格的要求也會不同，因此，根據(jù)所需要的分辨率對不同區(qū)域進行合理的網(wǎng)格劃分是非常有必要的.表2為三蛇形燃料電池陰極的網(wǎng)格劃分信息；圖2為模型的網(wǎng)格劃分圖.

表2 模型網(wǎng)格劃分信息

圖2中的模型共包含約15萬個單元數(shù)，約15萬個網(wǎng)格頂點等.而且在蛇形流道的圓角區(qū)域處的網(wǎng)格劃分比較細密，因為這些部分要考慮氣體在流向相反的流道之間的對流效應，因此需要更高的分辨率.

2 蛇形流場結構對電池性能的影響

2.1 蛇形流道數(shù)對流道內壓降的影響

在入口速度為6 m·s-1，工作壓力為1 atm時，分析了單、雙和三蛇形結構的燃料電池流道內壓力分布情況，如圖3所示.各流道進口壓力、出口壓力及壓力差(壓降)數(shù)值如表3所示.

流道入口到出口距離/m圖3 不同流道數(shù)電池內壓降分布圖

流道進出口之間的壓力差(壓降)可以表征流道內流動阻力的大小，由圖3及表3中的數(shù)據(jù)可知，單、雙和三蛇形結構的流道進出口之間的壓力差(壓降)分別為：5 835.321 6 Pa、4 371.244 6 Pa、3 116.731 4 Pa；單蛇形流場陰極流道進出口的壓力差(壓降)要明顯高于雙蛇形和三蛇形流道.

表3 不同流道數(shù)電池內壓降分布數(shù)據(jù)

壓力差(壓降)隨著流道數(shù)的增多而減小的主要原因在于兩個方面，一個是流體的流程；另一個是流道拐角數(shù).從流體在流道中的流程來看：單蛇形>雙蛇形>三蛇形，3種蛇形相比流程較長的流道中，外界對它提供更大的壓力才能將氣體從電池中排出；而流道拐角處會增加流場的壓力損失，蛇形流道數(shù)越少流場拐角就會越多，壓損大，因而壓力差(壓降)較高.因此，蛇形燃料電池可以通過增加蛇形流道數(shù)來減少流道拐角的數(shù)量，在降低氣體流程的同時，將壓力差(壓降)控制在合理的范圍內.這樣電池系統(tǒng)的負擔、額外的功率損耗都會隨之減小，電池整體的性能也會得到改善.這與陳士忠[10]所得結論一致.

通過上述蛇形流場中流道數(shù)對電池性能影響的模擬，驗證了模型的有效性.基于此模型進一步模擬蛇形流場拐角結構對電池性能的影響，模擬結果與分析如下.

2.2 拐角結構對流道內速度影響

在電池電壓為0.6 V，入口速度為4 m·s-1時，分析了圓角和直角拐角結構對電池流道內流速的影響，如圖4(a)、(b)所示；圓角拐角和直角拐角處流速的局部放大圖，如圖4(c)、(d)所示.

(a)圓角流道流速

(b)直角流道流速

(c)圓角

(d)直角圖4 不同拐角結構電池流道內的流速

從圖4(a)、(b)可以看出，相同橫截面的流道，圓角流道的流速比直角流道的流速要大得多，并且從圖4(c)、(d)可以發(fā)現(xiàn)兩種拐角結構的流速在拐角位置的流速差異表現(xiàn)得最為明顯，圓角流道的拐角處的流速比直角流道拐角處的流速要快得多，這是由于圓角流道效應所起的作用.

圖5為在不同圓角拐點和直角拐點處的速度分布曲線.

拐點圖5 不同拐點處的流速分布曲線

從圖5可清晰地看出，在圓角拐角和直角拐角每一個相對應的拐點處，圓角拐角速度均大于直角拐角的速度，并且從拐點1到拐點5的速度是逐漸增大的.主要是由于從流道入口到出口方向氣體壓強逐漸減小，越靠近流道出口位置，蛇形流道的流程就會越短，流道尾部對氣體的流動阻力會減小，從而使氣體的流動速度有所提高，更有利于電池中水的排出，提高了燃料電池的排水性能.

綜合以上對于不同拐角結構速度的分析：對于直角流道，在拐角處存在一個直角彎，此處即為氣體流動的一個緩沖區(qū)，這樣在壁面黏附力的作用下，將會使流動氣體聚集、堵塞流道，最終導致其不能充分擴散，流速下降；而對于圓角流道，相當于一個流線型圓弧彎道，這樣流動的氣體少了一個聚集的場所，就會使氣體在流道內沒有阻礙地流動，均勻分布于流道內，從而帶動了流道內整體流速高于直角流道的流速.因此，流道中使用圓角結構的拐角更能優(yōu)化電池的性能.

3 結 論

通過對蛇形流場燃料電池不同蛇形流道數(shù)和拐角結構類型進行數(shù)值模擬得到以下結論：

(1)蛇形流場燃料電池單、雙、三蛇形結構流場相比，三蛇形流場的壓力損失相對較小；

(2)蛇形燃料電池拐角處設計為圓角結構時，能更好地提高電池的整體流速，進而提高電池性能；

(3)蛇形燃料電池大的活化面積有利于物質在流道內的充分流動與擴散，以達到改善電池性能的目的.