階梯型流道對質子交換膜燃料電池性能的影響

安治國，張東陽，張 振，嚴芝銳

(重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

0 引 言

當前,化石燃料占全球能源消耗的82%,使用化石燃料造成的環境污染問題越來越突出,尋找清潔可替代能源成為急需解決的問題[1]。質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有能源效率高、無污染、啟動快、運行溫度低等優點,引起了學術界和工業界的廣泛關注[2-5]。在燃料電池中,雙極板(BP)是燃料電池的核心部件,包括陽極集流板和陰極集流板,分布于PEMFC兩側。雙極板不但起著為電池堆棧提供機械支持的作用,而且可以將反應氣體向氣體擴散層擴散并去除未反應氣體和副產物水。其流道設計優劣對于PEMFC的性能有著重要影響[6-7]。

目前,一些學者對雙極板的結構進行了研究[8-9]。MIN Chunhua等[10]通過對串聯型蛇形流道的研究發現,與平行流道相比,蛇形流道的平均氧濃度更高,能明顯改善PEMFC的性能；Y. VAZIFESHENAS等[11]將蛇形流道與平行流道相結合設計出復合流道,改善了PEMFC的排水性能；S. A. ATYABI等[12]通過數值模擬研究了一種新型的蜂窩型流道結構對PEMFC的性能的影響,結果表明,蜂窩型流道具有類似平行流道低壓降的優點,同時,PEMFC的溫度、水、氧質量分數以及電流密度分布的均勻性均得到提高；YANG Chen等[13]通過數值模擬分析了M型流道的PEMFC,獲得了最佳的橢圓堵塊高度和寬度,電池性能比平行流道提高了16%；H. HEIDARY等[14]評估了流道中添加堵塊對于PEMFC性能的影響,發現完全堵塞陰極側流道可以提高燃料電池30%的凈功率；螺旋形流道由T. MONSAF等[15]提出,通過對螺旋通道的肋寬度和匝數進行研究,發現肋寬和匝數的增加可以提高反應物分布的均勻性,螺旋形狀產生的離心力提高了燃料電池的性能；CHEN Xi等[16]通過CFD程序模擬了三維波形流道,得出波形流道通過引入了對流傳質,促進了氣體的運輸以及液態水的去除。與傳統通道相比,波形流道的電流密度最高可以提升23.8%；WANG Chao等[17]對不同高度或寬度的錐形流道進行數值模擬,結果表明,高流速的錐形流道可以顯著提高流道的除水能力,在大電流密度下,提高了電池的性能。

綜上所述,合理的流道結構可以使PEMFC的性能得以提升。然而,目前提出的流道結構較為復雜,加大了燃料電池的制造難度,提高了生產成本。針對此問題,筆者提出一種階梯型流道結構,并對其結構參數對電池性能的影響進行研究。

1 模型與方法

1.1 模型與操作參數

PEMFC幾何模型如圖1,包括雙極板、氣體擴散層、催化層和質子交換膜。模型的幾何尺寸如表1；物理和電化學參數如表2。

圖1 燃料電池幾何模型Fig. 1 Geometric model of fuel cell

表1 模型幾何參數Table 1 Geometric parameters of model

表2 模型的物理和電化學參數Table 2 Physical and electrochemical parameters of the model

圖2為階梯型PEMFC陰極流道的示意,主要的結構參數有進口高度H1、出口高度H2、階梯數量n、階梯高度h、點到流道進口的距離L。

圖2 PEMFC陰極流道Fig. 2 Cathode channel of PEMFC

表3為數值仿真實驗設計。模型通過兩種方案來對階梯高度進行調節,以此來研究階梯高度對PEMFC性能的影響。A為常規型(無階梯)流道,作為參考對照樣本。方案1將實驗B-F的流道階梯數量設定為5,調節流道進出口高度來改變階梯的高度；方案2將實驗G-J流道進出口高度設為定值,通過調節流道階梯的數量來改變階梯高度。流道的結構參數進口高度H1、出口高度H2、階梯數量n、階梯高度h具體設定數值如表3。

表3 流道幾何參數Table 3 Channel geometry parameters

1.2 模型假設

為簡化數值模型,考慮以下假設：

1)燃料電池在穩態和等溫的條件下工作。

2)不考慮重力的影響。

3) 反應氣體是理想的、不可壓縮的。

4)流道中的氣體流動為層流。

5)多孔介質都為均質且各向同性。

6)電化學反應只發生在催化層。

1.3 數學模型

模型所用方程有控制方程、電化學方程和水傳輸方程。控制方程包括質量、動量、能量和組分守恒方程，對應的方程如式(1)～式(9):

1)質量守恒方程

(1)

2)動量守恒方程

(2)

式中：p為壓力;μ為動力黏度;Su為動量源項。

3)能量守恒方程

(3)

式中：cp為定壓比熱容;keff表示有效導熱率;T為溫度;SQ為能量源項。

4)組分守恒方程

(4)

式中：k為組分代碼；ck為組分濃度；Dkeff為組分有效擴散系數；Sk為組分源項。

5)電化學方程包括電流守恒方程和Bulter-Volmer方程

電流守恒方程：

?·(σe?Φe)+Se=0

(5)

?·(σm?Φm)+Sm=0

(6)

式中：e和m分別表示為固相和膜相；σ為電導率;Ф為電勢;Se、Sm為電流源項。

Bulter-Volmer方程：

(7)

(8)

式中：a和c分別代表陽極和陰極;η為過電位;ja,reff和jc,reff分別為陽、陰極參考電流密度；Ci為i組分的濃度;Ci,ref為i組分的參考濃度;α為傳遞系數；γ為濃度指數。

6)水傳輸方程

在考慮了水相變時,水傳遞的控制方程形式如式(9)：

(9)

式中：s為水的傳輸速度;K為絕對滲透率;pcap為毛細壓力；rw為水的冷凝率。

1.4 網格獨立性驗證

為了確保計算結果的準確性,采用3種不同數量的六面體結構網格對模型進行網格劃分,其數量分別為140 400、315 360、565 920。表4為在電壓為0.7 V條件下的3種不同網格數量PEMFC的電流密度。

表4 不同網格數量時PEMFC的電流密度Table 4 Current density of PEMFC with different number of grids

從表4可以看出,與模型Ⅱ相比,模型Ⅰ和模型Ⅲ的電流密度偏差分別為0.79%和0.15%。可以認為當網格數量大于等于140 400時,計算結果與網格數量無關。為使計算結果更加準確，同時節省計算時間,選模型II作為計算模型。

1.5 模型驗證

為了評估文中PEMFC模型的有效性,對傳統的直流道進行模擬,將仿真結果與WANG Lin等[19]的實驗數據進行對比,如圖3。從圖3可以看出,在低電流密度條件下,仿真結果與實驗數據基本吻合。但在中高電流密度下,數值模擬結果比實驗結果略有偏差。產生偏差的主要原因為：數值模擬中忽略了重力的影響；現實實驗操作條件(溫度、空氣中氧氣的含量、進氣口反應物流量等不能保證精確以及實驗裝置的密封性等)使得實驗結果產生偏差。在中高電流密度的條件下化學反應速率較低電流密度下更為劇烈，產生偏差也就更大。當電壓為0.5 V時,電流密度產生0.062 A/cm2的最大偏差,最大誤差率為4.3%(小于5%),在合理范圍內,因此該模型用于數值模擬是比較可靠的。

圖3 仿真數據與實驗數據的驗證Fig. 3 Validation of simulation data and experimental data

2 結果與討論

2.1 極化曲線和功率密度曲線

圖4顯示了方案1中PEMFC的極化曲線和功率密度曲線。從圖4可以看出,在低電流密度區域,各個模型的電池性能基本相同。這是由于在此區域電化學反應速度較慢,反應組分消耗量較少,產生的水也較少,反應氣體易于將水排出,流道形狀對電池的性能幾乎無影響。在高電流密度區域,階梯型PEMFC的電流密度和功率密度均高于常規型PEMFC,并且隨著階梯高度的增加而增加。這是因為階梯型流道結構和流道出口面積的減小增加了流道內氣體的軸向和徑向速度,提高了氣體的擴散速率。另一方面,和常規流道相比,流道的階梯型結構使得流道體積從進口到出口依次減小,氣體濃度依次增大，電池內部的化學反應速度加快。

圖4 方案1的PEMFC極化和功率密度曲線Fig. 4 PEMFC polarization and power density curves of scheme 1

從圖4可知,燃料電池的最高功率密度均在電壓0.5 V時取得, 實驗A、B、C、D、E、F中,燃料電池的最高功率密度分別為0.530、0.562、0.566、0.579、0.589、0.602 W/cm2。由此可以看出,實驗F的最高功率密度最高,相比于常規型流道，其最高功率密度提高了13.58%。

圖5為方案2的PEMFC極化曲線和功率密度曲線。由圖5可知,隨著PEMFC階梯數量的增加,電池的功率密度呈微小的減小趨勢。實驗G、H、I、J中,燃料電池的最高功率密度分別為 0.590、0.589、0.588、0.588 W/cm2,最大差值為0.34%,可以認為，通過調節階梯數量來改變階梯高度的方式對PEMFC最高功率密度基本無影響。產生微小變化的原因是雖然流道進、出口高度相同,但階梯數量的增加使得流道的總體積有所增加,在同一位置反應物濃度有所減小,進而減小了電池內的化學反應速度。

圖5 方案2的PEMFC極化和功率密度曲線Fig. 5 PEMFC polarization and power density curves of scheme 2

2.2 氧氣和水質量分數分布

氧氣分布的均勻性對電池內的化學反應速率有很大影響。圖6(a)和圖7(a)分別為方案1中階梯型流道和常規(無階梯)流道陰極氣體擴散層和催化層交界處的氧氣質量分數分布云圖和平均質量分數曲線。從圖6(a)、圖7(a)中可以看出,氧氣的濃度在進口處偏高,越接近出口氧氣的濃度越小,這是由于電化學反應消耗了氧氣的緣故。階梯型流道PEMFC氧氣濃度在流道中后段均高于常規型流道,其中F型的氧氣濃度最高,氧氣分布的均勻性最好。原因是流道階梯型的設計增大了氣體的擾流作用,使得氣體的橫向和縱向速度增加,更有利于氣體的擴散,氣體分布的均勻性增加。

燃料電池內部的水分布同樣會影響電池的性能。適當的水含量會加速質子的傳導,對電池內的化學反應有著促進作用。水的積聚則會阻礙反應氣體的傳輸,嚴重時會造成“水淹”現象的產生,濃差極化損失增加,電池的性能減弱。圖6(b)和圖7(b)分別為方案1中階梯型流道和常規平行流道陰極氣體擴散層和催化層的水質量分數分布云圖和平均質量分數曲線。由圖6(b)、圖7(b)可知,階梯型流道的水分布更加均勻,出口處水的含量相較于傳統流道明顯減少,改善了電池的排水性能。這是由于階梯型流道使得流道內氣體流速增加,有利于水的排出。

圖6 方案1的PEMFC陰極GDL/CL界面氧氣及水的平均質量分數Fig. 6 Mass fraction of oxygen and water at GDL / CL interface of PEMFC cathode of scheme 1

圖7 方案1的PEMFC陰極GDL/CL界面的氧氣及水的平均質量分數Fig. 7 The average mass fraction of oxygen and water at GDL/CL interface of PEMFC cathode of scheme 1

圖8(a)、圖9(a)為方案2中PEMFC陰極氣體擴散層和催化層交界處的氧氣濃度分布云圖和平均質量分數曲線。圖8(b)、圖9(b)為水濃度分布云圖和平均質量分數曲線。從圖8、圖9可以看出,G型PEMFC氧氣和水進出口平均質量分數相同,在階梯交界處會出現線性波動。產生這種現象的原因是在階梯處流道體積突然變小,單位體積內的氧氣和水含量增大。H、I、J型PEMFC氧氣濃度分布和水分布狀況基本相同,此時階梯高度對電池內氧氣和水濃度分布影響很小。因此,可以認為當階梯數量大于等于5時,通過調節階梯數量來改變階梯高度的方式對燃料電池中氧氣和水分布的影響可以忽略不計。

圖8 方案2的PEMFC陰極GDL/CL界面氧氣及水的平均質量分數Fig. 8 Mass fraction of oxygen and water at GDL / CL interface of PEMFC cathode of scheme 2

圖9 方案2的PEMFC陰極GDL/CL界面氧氣及水的平均質量分數Fig. 9 The average mass fraction of oxygen and water at GDL/CL interface of PEMFC cathode of scheme 2

2.3 壓降分布

圖10、圖11分別為PEMFC電壓為0.5 V時,方案1和方案2中PEMFC陰極流道內的壓降情況。

圖10 方案1陰極流道內壓降Fig. 10 Pressure drop in cathode channel of scheme 1

從圖10可以看出,方案1中,隨著階梯高度的增加,流道內氣體的壓降從最初的426 Pa增大到6 540 Pa,差異十分顯著。其中,B、C型燃料電池壓降差異較小,D、E型燃料電池壓降增大明顯，F型燃料電池的壓降急劇增加。這是因為出口高度太小使得流道內的水難以有效排出,從而阻礙了氣體的流出。

從圖11可以看出,G、H、I、J型PEMFC的陰極流道壓降分別為2 262、1 928、1 776、1 698 Pa。方案2中,隨著流道階梯數量的增加,電池內的壓降依次減小。與G型PEMFC相比,J型PEMFC的壓降下降了24.9%,這說明通過增加階梯數量的方式來減小階梯高度對于電池的壓降具有明顯的改善作用。

圖11 方案2陰極流道內壓降Fig. 11 Pressure drop in cathode channel of scheme 2

綜上所述,與常規型流道相比,階梯型流道壓降會明顯增加,在同等條件下,需要消耗更大的功率來輸入空氣,從而保證足夠的氧氣含量。當流道進出口不變時,可以通過增加流道階梯數量的方式減小壓降。

3 結 論

筆者提出一種PEMFC新型的階梯型流道結構,通過建立三維多相CFD模型,討論了階梯型流道結構參數對PEMFC的電化學特性、氣體分布、水分布和壓降影響,獲得如下結論：

1)階梯型流道能夠顯著提高電池的電化學性能。與常規流道相比,階梯型流道的最高輸出功率提高了13.58%。

2)當流道階梯數量一定時,增加階梯高度不僅能夠改善流道內氧氣的分布均勻性,而且氣體流速的增加提高了PEMFC的排水性能。但增加階梯高度會導致流道內氣體的壓降上升,這就需要更大的空氣輸入功率保證氧氣的供給。

3)當流道進出口不變時,增加階梯的數量,可以減小燃料電池流道內的壓降, PEMFC陰極流道內的壓降最高下降了24.9%。