PEMFC燃料供給系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化

肖 罡,李樂西,楊欽文*,陳淑君

(1.江西應(yīng)用科技學(xué)院工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江西 南昌 330100;2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410082)

目前,人們對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的研究主要集中在材料方面,對(duì)系統(tǒng)控制研究較少。燃料供給系統(tǒng)在PEMFC各子系統(tǒng)中占有重要地位。為確保電池的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行,應(yīng)對(duì)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制,從而提高系統(tǒng)性能、保護(hù)質(zhì)子交換膜和延長壽命[1-2]。對(duì)燃料供給系統(tǒng)的控制主要從極板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及方法的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化極板流道結(jié)構(gòu),可將壓力降控制在合理范圍內(nèi),提高膜電極和反應(yīng)物的利用率,使反應(yīng)物均勻分布,并保持水平衡。

關(guān)于極板流道結(jié)構(gòu)的研究不少,如M.C.Johnson等[3]提出了變截面的直通道流道,一種設(shè)計(jì)是流道寬度交替變化,但流道深度保持固定;另一種設(shè)計(jì)是對(duì)前一種流道的改進(jìn),流道結(jié)構(gòu)沿流道方向、流道深度交替變化。這兩種設(shè)計(jì)均使氣體在流道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了速度及壓力的波動(dòng),在氣體內(nèi)部產(chǎn)生了擾動(dòng),可加速氣體傳質(zhì),但是流道加工難度大,增加了成本。J.K.Kuo等[4]提出在流道底部增加波浪形、梯形阻礙物,來改善蛇形流道的對(duì)流熱交換和氣體流動(dòng)特性。這種設(shè)計(jì)可使更多的燃料滲透進(jìn)催化層,加劇催化劑層上的反應(yīng),提升PEMFC的性能。M.Z.Chowdhury等[5]建立了一種收斂結(jié)構(gòu)的流道,流道入口和出口通道體積之間的深度梯度越小,電流密度越高。收斂蛇形流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有利于電池系統(tǒng)內(nèi)水的管理,可提高電流密度,使PEMFC的性能優(yōu)于使用傳統(tǒng)蛇形流道的。

本文作者綜合考慮燃料供給的濃度、增壓結(jié)構(gòu)、壓力降(壓降)控制等因素對(duì)電池性能的影響,提出一種復(fù)合流道結(jié)構(gòu),在內(nèi)部放置增壓結(jié)構(gòu),以期提高電池的性能。

1 模型搭建

1.1 流道結(jié)構(gòu)

PEMFC在工作中是一個(gè)復(fù)雜的物理耦合場,Fluent軟件作為一種流行的計(jì)算流體力學(xué)的軟件,可處理流體計(jì)算、熱量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)等方面的問題。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用Fluent對(duì)PEMFC進(jìn)行數(shù)值模擬,考慮燃料供給系統(tǒng)對(duì)電池性能的影響。

首先建立PEMFC傳統(tǒng)的蛇形流道模型,參數(shù)見表1。

表1 傳統(tǒng)蛇形流道的結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structural size of traditional serpentine flow channel

由文獻(xiàn)[6-7]可知,復(fù)合流道可以綜合控制流道內(nèi)氣體的壓降,因此提出一種蛇形流道與平行流道相結(jié)合的復(fù)合流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合各流道的優(yōu)點(diǎn),讓反應(yīng)物分布更均勻,以提升系統(tǒng)性能。各流道示意圖如圖1所示。

圖1 各流道示意圖 Fig.1 Schematic diagram of each channel

1.2 控制方程

PEMFC仿真過程運(yùn)用的基本方程[8-10]主要有:質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、電化學(xué)方程、電流守恒方程和開路電壓控制方程等,具體如式(1)-(6)所示。

式(1)-(6)中:ρ為密度(kg/m3);ε為孔隙率;→u為速度矢量(m/s);t為時(shí)間(s);cp為定壓比熱[J/(kg·K)];T為溫度(K);keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)];ck為組分濃度(kmol/m3);為組分有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);S為源項(xiàng),下標(biāo)k、M、Q、e、和 m 分別為組分、質(zhì)量、能量、電子電流和質(zhì)子電流,且Se+Sm=0;η為過電位(V);CH2、CO2分別為氫氣、氧氣的局部摩爾濃度(kmol/m3);jv為參考交換電流密度(A/m3);ref代表參考值;γ為濃度指數(shù)(陽極為0.5,陰極為1.0);α為傳遞系數(shù);a為陽極側(cè)、c為陰極側(cè);e為常數(shù)2.718;σ為電導(dǎo)率;φe、φm分別為固相電勢(shì)和膜相電勢(shì)(V);E為開路電壓(V);ΔG0為吉布斯自由能的變化量(J);PH2、PO2和PH2O分別為氫氣、氧氣和水蒸氣的分壓(Pa);R為理想氣體常數(shù);F為法拉第常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料供給濃度及濕度比的影響分析

表2為燃料供給系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

表2 燃料供給系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operating parameters of fuel supply system

依據(jù)表2運(yùn)行參數(shù),在ω(H2)∶ω(H2O)=0.8∶0.2的條件下,實(shí)驗(yàn)選取3種氧氣濕度比例進(jìn)行仿真,考慮陰極燃料供給濃度及濕度比對(duì)電池性能的影響。當(dāng)ω(O2)∶ω(H2O)=0.80∶0.20時(shí),近乎于通入了純氧,而當(dāng) ω(O2)∶ω(H2O)=0.20∶0.05時(shí),近乎于通入了空氣(其余為N2占比),此兩種氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比的氧氣濃度不同。

PEMFC在3種不同運(yùn)行工況下的性能曲線見圖2。

圖2 不同O2濃度及濕度供給的系統(tǒng)性能曲線Fig.2 System performance curves of different O2 concentration and humidity supply

從圖 2可知,當(dāng) ω(O2)∶ω(H2O)=0.80∶0.20 時(shí),極化曲線和功率密度曲線整體在ω(O2)∶ω(H2O)=0.20∶0.10的上方,說明前者性能更好,因?yàn)檠鯕獾臐舛雀?。?O2)∶ω(H2O)=0.20∶0.05時(shí)的性能最差,是由于相對(duì)于ω(O2)∶ω(H2O)=0.20∶0.10 時(shí),在溫度 80℃的運(yùn)行條件下,低濕度的燃料供給導(dǎo)致膜含水量較低,會(huì)產(chǎn)生較大的歐姆阻抗,使電池性能下降,說明一定的陽極加濕對(duì)電池性能有重要的影響。

選擇陰極ω(O2)∶ω(H2O)=0.20∶0.10的比例通入燃料,研究陽極側(cè)不同氫氣濃度及濕度對(duì)電池性能的影響,見圖3。

從圖3可知,當(dāng) ω(H2) ∶ω(H2O)=0.6∶0.4時(shí),電池的性能最好,表明當(dāng)陽極相對(duì)濕度升高時(shí),電池系統(tǒng)性能有一定提升,ω(H2)∶ω(H2O)對(duì)電池系統(tǒng)性能有重要影響。

圖3 不同H2濃度及濕度供給的系統(tǒng)性能曲線Fig.3 System performance curves of different H2 concentration and humidity supply

電池系統(tǒng)在最大輸出功率時(shí),陰極產(chǎn)物液態(tài)水會(huì)迅速增加,進(jìn)而存在水淹的問題。若陰極相對(duì)濕度過低,系統(tǒng)的性能會(huì)變差;若相對(duì)濕度太大,系統(tǒng)最大輸出功率也會(huì)受影響,在陽極側(cè)產(chǎn)生的液態(tài)水較少。綜合考慮,當(dāng)陽極氣體的相對(duì)濕度變化時(shí),ω(H2)∶ω(H2O)越高,最大輸出功率越高。

2.2 燃料供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局的影響分析

在 ω(O2) ∶ω(H2O)=0.20∶0.10、ω(H2) ∶ω(H2O)=0.90∶0.10時(shí),分析3種結(jié)構(gòu)的電池系統(tǒng)在各電壓下的性能。復(fù)合流道、平行流道和蛇形流道的功率密度曲線見圖4。

圖4 溫度80℃下系統(tǒng)功率密度曲線Fig.4 System power density curves at the temperature of 80℃

從圖4可知,復(fù)合流道的功率密度曲線整體位于蛇形流道和平行流道的上方,說明復(fù)合流道的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)性能得到了一定的提升。

圖5、圖6為電池陽極流道層界面和催化層界面的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖。

圖5 陽極流道層界面水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布 Fig.5 Distribution of water mass fraction at the anode channel layer interface

圖6 陽極催化層界面水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布 Fig.6 Distribution of water mass fraction at the anode catalyst layer interface

從圖6可知,平行流道氣體流動(dòng)的阻力較小,但流道數(shù)目和入口多,進(jìn)入流道的氣體的流速分布不均勻,導(dǎo)致各流道的氣體壓力不同,水容易聚集。蛇形流道由于單位長度的壓降較高,在下游和轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)水聚集,陽極流道層界面和催化層界面的水管理能力優(yōu)于平行流道。復(fù)合流道由于氣體擴(kuò)散層中的肋下對(duì)流能去除水,水管理能力優(yōu)于平行流道;同時(shí),復(fù)合流道可改善蛇形流道的壓降,電池的性能更好。

2.3 燃料供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析

基于以上分析,提出一種復(fù)合流道與增壓結(jié)構(gòu)相結(jié)合的流道,陽極流道層俯視圖見圖7。

圖7 復(fù)合流道與增壓結(jié)構(gòu)相結(jié)合的流道層俯視圖Fig.7 Top view of channel layer combined with composite flow channel and pressurization structure

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由一條蛇形流道、兩條平行流道組成,在陽極流道層的中間部分有一個(gè)增壓結(jié)構(gòu),即在流道右側(cè)放置截面為矩形(長0.6 mm、寬 1.0 mm)的障礙物,阻擋50%的流道截面。該結(jié)構(gòu)在實(shí)際極板加工時(shí)易實(shí)現(xiàn),且成本低。

當(dāng) ω(O2)∶ω(H2O)=0.2∶0.1、ω(H2) ∶ω(H2O)=0.9∶0.1時(shí),電池系統(tǒng)的輸出功率曲線見圖8。

圖8 各流道系統(tǒng)的功率密度曲線Fig.8 Power density curves of each channel system

由圖8數(shù)據(jù)計(jì)算可知,帶增壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合流道的最大輸出功率高于其他3種流道,輸出功率密度相比蛇形流道提高了0.3%～0.9%,相比平行流道提高了1%～3%。

圖9、圖10為電池陽極流道層界面和催化層界面的H2濃度分布云圖。

圖9 陽極流道層界面氫氣濃度分布 Fig.9 Distribution of H2 concentration at the anode flow channel layer interface

圖10 陽極催化層界面氫氣濃度分布 Fig.10 Distribution of H2 concentration at the anode catalyst layer interface

通過對(duì)比分析原理可知,在保證入口氣體流動(dòng)速度相同的情況下,可以推測(cè)出:與蛇形流道相比,帶增壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合流道內(nèi)部長度相對(duì)較小,因此內(nèi)部產(chǎn)生的沿程阻力更小;與平行、蛇形流道相比較,因內(nèi)部設(shè)有增壓結(jié)構(gòu),帶增壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合流道可在一定程度上減小氣體在流道內(nèi)部的壓力損失。帶增壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合流道的H2濃度分布較平行、蛇形流道更均勻,有利于反應(yīng)物滲透到催化層參與反應(yīng),提高電池系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

本文作者通過對(duì)PEMFC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和仿真實(shí)驗(yàn)研究分析,得到以下結(jié)論:

提升陰極燃料(O2)濃度,可以提高系統(tǒng)的性能,降低ω(H2)∶ω(H2O),即提高陽極水蒸氣濃度,可以提高系統(tǒng)的性能,說明陽極加濕能促進(jìn)電池的反應(yīng),優(yōu)化系統(tǒng)性能。

設(shè)計(jì)的復(fù)合流道,在蛇形流道的基礎(chǔ)上結(jié)合了平行流道的優(yōu)點(diǎn),可起到綜合控制壓降的目的,讓燃料在電池內(nèi)部分布均勻,更多的燃料可參與反應(yīng),優(yōu)化系統(tǒng)性能。在80℃工作溫度下,電池系統(tǒng)的性能更好,并具有較好的水管理能力。

在復(fù)合流道內(nèi)部放置擋板,合理增大平行流道壓降,可讓更多的反應(yīng)物滲透到催化層中,參與反應(yīng)。仿真分析發(fā)現(xiàn),帶增壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合流道的輸出功率密度比平行流道提高了1%～3%,比傳統(tǒng)的蛇形流道提高了0.3%～0.9%。將平行流道與蛇形流道復(fù)合,同時(shí)合理布置增壓結(jié)構(gòu),可以優(yōu)化PEMFC燃料供給及分布性能,從而提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。