質子交換膜燃料電池擋板結構優化

蘇丹丹，孫 峰，張志國，殷宇捷，龐 彬，董小平

(1.河北大學 質量技術監督學院，河北 保定 071000；2.河北省新能源汽車動力系統輕量化技術創新中心，河北 保定 071000；3.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300)

0 引 言

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一種通過電化學反應將H2與O2的化學能直接轉化為電能的能量轉換裝置，具有轉換效率高、響應速度快、可靠性高、零污染等優點[1-3]。PEMFC主要由質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)、雙極板(Bipolar Plate,BP)、氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL)和催化層(Catalytic Layer,CL)等部件組成[4]。

雙極板兩側的氣體流道(Flow Channel,FC)決定反應氣體的質量傳輸過程，合理的流道結構設計對提高PEMFC傳質特性和輸出性能具有重要意義[5-8]。MOHAMMEDI等[9]對5種常規及25種非常規的流道橫截面形狀進行研究，發現底部為梯形、頂部為倒梯形的PEMFC輸出性能最佳；而底部為倒半橢圓、頂部為倒梯形的PEMFC輸出性能最差，功率密度損失達4.65%。CHEN等[10]對陰極為三維波浪形流道的PEMFC進行研究，結果表明流道最小深度0.45 mm、最小波長2 mm時，電流密度比常規流道提高23.8%。ATYABI等[11]研究了正弦流場對PEMFC性能的影響，發現在相同工作電壓下，正弦流場的最大流速和壓降分別為常規平行流場的1.18倍和6倍。

在流道內添加擋板可以提高反應氣體由流道向氣體擴散層與催化層中的傳輸效率，加快PEMFC的電化學反應速度，減小反應氣體濃度降低造成的傳質電壓損失[12-16]。GHANBARIAN等[17]在流道內添加了矩形、圓形和梯形等形狀擋板，發現梯形擋板可有效提高PEMFC的凈功率密度。LIU等[18]在流道內添加了仿生鰭狀擋板，發現仿生鰭狀流道可有效去除氣體擴散層表面的水滴，避免水滴積聚。李偉卓等[19]結合全因子設計法研究了流道內矩形擋板高度對PEMFC性能的影響，研究發現擋板高度H1=0.953 7 mm、高度增量ΔH=0.009 mm 時，PEMFC輸出功率密度最高。YIN等[20]研究了矩形擋板數量及堵塞率對反應氣體速度、壓力和濃度分布的影響，并根據PEMFC輸出性能優化了擋板高度及數量，結果發現擋板數量為5、堵塞率為0.8時，PEMFC凈功率比無擋板流道增加了9.39%。PERNG等[21]研究了5種不同角度的梯形擋板對流道內反應氣體流速、濃度及壓力降的影響，結果發現梯形擋板傾角60°、高度1.125 mm時，PEMFC輸出性能最高。

國內外對擋板形狀(矩形、圓形、梯形等)、擋板高度、擋板數量以及擋板分布方式等開展了大量研究。研究表明，在流道內添加擋板對PEMFC的傳質特性及輸出性能有顯著影響，尤其添加梯形擋板能更好提升PEMFC性能。但有關梯形擋板傾角優化的研究較少。筆者對梯形擋板傾角進行研究，并設計了對稱梯形擋板與非對稱梯形擋板(前后傾角不等)2類擋板結構。研究了對稱梯形擋板與非對稱梯形擋板對流道內反應氣體流速、反應氣體分布及氣體通量的影響。在此基礎上，進一步研究了流道內梯形擋板數量對PEMFC輸出性能的影響。

1 PEMFC模型建立

1.1 工作原理

H2和O2分別進入PEMFC陽極和陰極流道內，通過擴散層到達催化層。在催化劑的作用下，H2和O2發生電化學反應，產生的質子和電子分別通過質子交換膜與外電路傳輸至陰極。基本工作原理如圖1所示。

圖1 PEMFC基本工作原理Fig.1 Basic working principle of PEMFC

PEMFC中的電化學反應為：

陽極：

(1)

陰極：

(2)

總反應：

(3)

1.2 幾何模型

COMSOL Multiphysics在電化學、流體、傳熱、電磁場等領域應用廣泛，其優點在于能實現多物理場的耦合。為研究梯形擋板對PEMFC傳質特性和輸出性能的影響，在COMSOL Multiphysics中建立了包含陰陽極流道、擴散層、催化層及質子交換膜的三維PEMFC單直流道幾何模型。在單直流道內添加梯形擋板PEMFC幾何模型(圖2)。梯形擋板結構如圖3所示，其中α、β分別為梯形擋板的前后傾角，Wt為擋板寬度，Ht為擋板高度，Lt為下底邊長，Ltb為上底邊長。PEMFC幾何模型參數見表1。

表1 PEMFC幾何模型參數Table 1 Parameters of PEMFC geometric model

圖2 PEMFC幾何模型Fig.2 Geometry model of PEMFC

圖3 梯形擋板幾何模型Fig.3 Geometry model oftrapezoidal baffle

1.3 模型假設

為簡化計算，引入以下假定條件：① PEMFC穩定工作；② 模型內為單相流動；③ 反應氣體為理想氣體且保持低速流動；④ 反應氣體流動為層流；⑤ 催化層與氣體擴散層等多孔介質均為各向同性。

1.4 控制方程

質量守恒方程：

(4)

式中，ε為多孔介質孔隙率；ρ為反應氣體混合物密度，kg/m3；t為單位時間；u為反應氣體混合物速度矢量，m/s；Sm為質量源項，kg/(m·s)。

動量守恒方程：

(5)

式中，p為反應氣體壓力，Pa；μ為反應氣體動力黏性系數，N·s/m3；Su為動量源項，N/m3。

能量守恒方程：

(6)

式中，cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；T為工作溫度，K；keff為有效熱導率，W/(m·K)；SQ為能量源項，W/m3。

組分傳輸方程：

(7)

式中，ck為組分質量濃度，kg/m3；Deff為組分有效擴散系數，m2/s；Si為組分源項，kg/(m·s)。

電荷守恒方程：

?·(σsol?Φsol)+Ssol=0，

(8)

?·(σmem?Φmem)+Smem=0，

(9)

式中，σsol、σmem分別為固相和膜相電導率，1/(Ω·m)；Φsol、Φmem分別為固相和膜相電勢，V；Ssol、Smem分別為固相電勢與膜相電勢的源項，A/m3。

電化學方程：

(10)

(11)

式中，ja為陽極電流密度，A/m2；jc為陰極電流密度，A/m2；jref,a為陽極參考交換電流密度，A/m2；jref,c為陰極參考交換電流密度，A/m2；P(H2)、P(O2)、P(H2O)分別為H2、O2和水蒸氣的分壓，Pa；Pref為參考壓力，Pa；αa、αc分別為陽極和陰極傳遞系數；ηa、ηc分別為陽極和陰極活化過電壓，V；R為理想氣體常數，J/(mol·K)；F為法拉第常數，C/mol。

1.5 邊界條件

PEMFC幾何模型的流道入口邊界設置為速度邊界，流速分布為層流。流道出口邊界設置為壓力邊界。模型的流道、擴散層以及催化層外側邊界設置為對稱邊界條件，其他邊界應用無滑移邊界條件。陽極雙極板邊界設為零電位，陰極雙極板邊界設為PEMFC電勢，其他外部邊界均絕緣。單梯形擋板模型仿真過程中的操作參數見表2。

表2 PEMFC操作參數Table 2 Operating parameters of PEMFC

1.6 計算方案

保持PEMFC模型的幾何尺寸不變，在陰極流道內分別添加傾角α=β=45°、60°、75°三種對稱梯形擋板及傾角α=45°、β=60°，α=60°、β=45°，α=45°、β=75°，α=60°、β=75°，α=75°、β=45°，α=75°、β=60°六種非對稱梯形擋板，建立9種陰極流道結構不同的PEMFC數值計算模型。保持各模型內物理場以及操作參數相同并對模型進行數值模擬，研究陰極流道內添加擋板對反應氣體質量傳輸的影響。

2 PEMFC模型驗證

為充分驗證PEMFC模型的正確性以及仿真模擬方法的可行性，分別進行仿真驗證與試驗驗證。

2.1 仿真驗證

建立PEMFC單直流道幾何模型與文獻[22]尺寸一致，并采用了相同的操作參數(表2)，最后對仿真極化曲線進行對比，結果如圖4所示。由圖4可知，在各工作電壓下，電流密度變化規律與文獻[22]一致，驗證了本文所建幾何模型的正確性。

圖4 仿真驗證PEMFC極化曲線Fig.4 PEMFC polarization curves of simulation validation

2.2 試驗驗證

PEMFC型號為RDZ 03-3 K/30 V1-48，其雙極板如圖5所示，額定功率為3.8 kW，額定電流為110 A，活性面積為250 cm2。操作參數：工作溫度60 ℃，陰陽極化學計量比分別為3.0、2.0，陰陽極濕度分別為80%和0，陰陽極壓力(相對1個標準大氣壓)均為60 kPa。

圖5 PEMFC雙極板Fig.5 Bipolar plate of PEMFC

建立了與PEMFC雙極板流道尺寸相同的波形單流道幾何模型，模型的幾何參數見表3。仿真極化曲線與試驗數據對比如圖6所示，在各工作電壓下，仿真電流密度與試驗數據變化規律一致，證明了本文仿真模擬方法的可行性。

表3 波形流道幾何模型參數Table 3 Model parameters of sinusoidal flow channel geometricmodel

圖6 試驗驗證PEMFC極化曲線Fig.6 PEMFC polarization curves of experimental validation

3 結果與分析

3.1 對稱梯形擋板對PEMFC性能的影響

3.1.1 對稱梯形擋板對流道內O2流速的影響

工作電壓0.41 V、流道內無擋板及添加對稱梯形擋板時，O2流速對比如圖7所示。由圖7(a)可知，流道內無擋板時，O2流速沿流動方向逐漸降低。由圖7(b)～7(d)可知，流道內添加擋板后，O2受擋板的阻礙作用，氣體對流效應增強，提高了擋板下方O2流速，有利于強化氣體擴散層與催化層中氣體傳輸效果，改善PEMFC輸出性能。

圖7 不同傾角對稱梯形擋板流道內O2流速對比Fig.7 Comparison of oxygen flow velocity in FC among symmetrical trapezoidal baffles with different inclination angles

增大梯形擋板傾角，O2沿流道垂直方向流速增大，有利于強化O2向氣體擴散層及催化層傳輸；但梯形擋板傾角進一步增大時，擋板對O2流動的阻礙作用較大，反而不利于O2的質量傳輸，因此本文未在流道內添加更大傾角的梯形擋板。

3.1.2 對稱梯形擋板對流道內O2分布的影響

工作電壓0.41 V時，流道內無擋板及添加對稱梯形擋板時O2質量分數對比如圖8所示。由圖8(a)可知，流道內無擋板時，由于PEMFC中電化學反應持續進行，O2質量分數沿氣體流動方向逐漸降低。由圖8(b)～8(d)可知，流道內添加擋板后，由于擋板的阻礙作用O2向擋板下方傳輸，流道內平均O2質量分數提高。此外，隨對稱梯形擋板的傾角增大，擋板下方O2質量分數增加，有利于加強O2向氣體擴散層中的質量傳輸。

圖8 不同傾角對稱梯形擋板流道內O2質量分數對比Fig.8 Comparison of oxygen mass fraction in FC among symmetrical trapezoidal baffles with different inclination angles

3.1.3 對稱梯形擋板對氣體擴散層中O2通量的影響

工作電壓0.41 V、流道內無擋板及添加對稱梯形擋板時，氣體擴散層中的O2通量對比如圖9所示。由圖9(a)可知，流道內無擋板時，流道對應的氣體擴散層中O2通量沿氣體流動方向遞減；由圖9(b)～9(d)可知，流道內添加對稱梯形擋板后，氣體擴散層中O2通量提高，并在擋板下方出現最大值。此外，O2通量最大值隨梯形擋板傾角增大而提高，同時氣體擴散層O2聚集區面積增加，有利于強化O2向催化層中的質量傳輸。

圖9 不同傾角對稱梯形擋板氣體擴散層中O2通量對比Fig.9 Comparison of oxygen flux in GDL among symmetrical trapezoidal baffles with different inclination angles

3.2 非對稱梯形擋板對PEMFC性能的影響

3.2.1 非對稱梯形擋板對流道內O2分布的影響

工作電壓0.41 V、流道內添加非對稱梯形擋板時，O2質量分數對比如圖10所示，可知O2質量分數在不同傾角的非對稱梯形擋板附近變化明顯，尤其是擋板下方。由圖10(a)～10(d)可知，擋板傾角α或β=45°時，擋板對O2沿流道方向傳輸阻礙作用不大，O2向氣體擴散層內擴散面積小，其中α=60°、β=45°時，擋板下方的流道與擴散層交界面的O2質量分數最低。由圖10(e)、10(f)可知，隨前傾角或后傾角的增大，擋板對O2沿流道方向傳輸阻礙作用增強，提高了擋板下方O2質量分數；α=60°、β=75°時，在擋板下方的流道與擴散層接觸面處，O2高質量分數區域面積最大。

圖10 不同傾角非對稱梯形擋板對流道內O2質量分數影響對比Fig.10 Comparison of oxygen mass fraction in FC among asymmetric trapezoidal baffles with different inclination angles

3.2.2 非對稱梯形擋板對氣體擴散層中O2通量的影響

工作電壓0.41 V、流道內添加非對稱梯形擋板時，氣體擴散層中O2通量對比如圖11所示，可知非對稱梯形擋板傾角對氣體擴散層中O2通量有明顯影響。α=60°、β=45°時，擴散層中的O2通量最低，α=60°、β=75°時，擴散層中O2通量最高。

圖11 非對稱梯形擋板對氣體擴散層中O2通量影響對比Fig.11 Comparison of oxygen flux in GDL among asymmetric trapezoidal baffles with different inclination angles

綜上所述，與對稱梯形擋板相比，流道內添加非對稱梯形擋板可更有效促進反應氣體在流道以及擴散層中的質量傳遞。此外，α=75°、β=60°或α=60°、β=75°的非對稱梯形擋板對提高反應氣體傳質特性效果更佳。

3.3 擋板數量對PEMFC性能的影響

3.3.1 梯形擋板數量對O2分布的影響

工作電壓0.41 V時，在流道內添加不同數量的非對稱梯形擋板與無擋板流道的O2摩爾分數對比如圖12所示，非對稱梯形擋板的傾角α=60°、β=75°。

圖12 O2摩爾分數對比Fig.12 Comparison of oxygen mole fraction

由圖12(a)可知，流道內無擋板時，O2摩爾分數隨氣體流動方向均勻降低。由圖12(b)～12(d)可知，流道內添加擋板后，擋板下方O2摩爾分數明顯增大，且擋板下方擴散層產生O2聚集區。此外隨擋板數量增加，擴散層中的O2摩爾分數明顯升高，促進了O2的質量傳遞。

工作電壓0.41 V時，沿氣體流動方向不同擋板數量的O2摩爾分數如圖13所示，可知流道內添加擋板后，擋板下方的擴散層及催化層中O2摩爾分數升高，并出現波峰，有利于提高電化學反應速率，進而在該區域獲得更好的PEMFC輸出性能。同時，隨流道內擋板數量增加，O2摩爾分數波峰數量增加。此外，靠近流道出口區域，添加擋板比無擋板流道的O2摩爾分數低，且隨著擋板數量增加，出口處O2摩爾分數降低，這是由于擋板數量過多阻礙了反應氣體在流道下游的傳輸。因此在流道內添加擋板應充分考慮擋板數量對反應氣體傳輸的影響，不能添加過多擋板。

圖13 沿氣體流動方向O2摩爾分數對比Fig.13 Comparison of oxygen mole fraction along the gas flow direction

3.3.2 擋板數量對極化曲線與功率密度曲線影響

流道內添加不同數量擋板的極化曲線與功率密度曲線如圖14所示，可知PEMFC輸出性能隨擋板數量的增加而提升，不同擋板數量的極化曲線在低工作電壓區差別較大，工作電壓為0.1 V，擋板數量分別為0、3、7、11時，PEMFC的電流密度分別為1.57、1.65、1.72、1.80 A/cm2，擋板數量為11時，電流密度比無擋板時提高14.6%。此外，擋板數量分別為0、3、7、11時，PEMFC的峰值功率密度分別為0.408、0.416、0.424、0.435 W/cm2，擋板數量為11時，峰值功率密度比無擋板時提高6.6%，PEMFC輸出性能得到改善。

圖14 不同擋板數量的極化曲線與功率密度曲線Fig.14 Polarization curves and power density curves of different baffle numbers

4 結 論

1)流道內添加對稱梯形擋板，可提高流道內局部O2流速，增大O2質量分數，并提高氣體擴散層中O2通量；隨擋板傾角增大，最高O2流速和最大O2質量分數均有所增加。

2)增大非對稱梯形擋板的前傾角或后傾角，可有效增大擋板下方O2質量分數，提高氣體擴散層中O2通量，強化O2質量傳輸；其中流道內添加傾角α=60°、β=75°或α=75°、β=60°的非對稱梯形擋板時，O2質量分數更大，氣體擴散層中O2通量更高。

3)流道的擴散層與催化層中O2摩爾分數，以及PEMFC的輸出性能均隨擋板數量增加而提高。

4)PEMFC輸出性能隨擋板數量增加而提升。流道內添加11個α=60°、β=75°的非對稱梯形擋板時，PEMFC峰值功率密度為0.435 W/cm2，比無擋板時提高6.6%。工作電壓U=0.1 V時，電流密度為1.80 A/cm2，提升約14.6%。