大面積雙極板質子交換膜燃料電池仿真與實驗

王國慶，何振峰，王 超，王學科

(1.中北大學 化學工程與技術學院，山西太原 030051；2.中北大學 材料科學與工程學院，山西太原 030051；3.北京航天發射技術研究所，北京 100076)

隨著環境污染、溫室效應與能源短缺的加劇，開發新型能源來替代傳統化石燃料已經迫在眉睫。質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于其低排放、高功率密度和快速響應等優點，被認為是未來最有前途的電源。但是，燃料電池的水和熱管理這些棘手的問題制約了PEMFC 商業化。Fluent 能夠模擬仿真PEMFC 中多維、多相、多尺度的動態復雜的傳輸現象及電化學反應過程。通過仿真可以得到在不同條件下的大面積PEMFC 內部的流體流動狀態、熱傳遞、不同物質傳輸情況、電化學反應過程以及電流密度分布情況。當仿真出現故障時，可以找出模型的不合理性進而優化結構，從而降低研發成本[1-8]。

由于計算效率和穩定性的限制，傳統的PEMFC 的三維模擬往往停留在單通道尺度上，忽略了商業PEMFC 的真實流場結構。市場上實用意義的燃料電池，活性面積一般在300 cm2左右。現階段對于這種大面積的燃料電池仿真相關報道并不多見。Zhang 等[9]進行了一個大面積PEMFC(109.93 cm2)的仿真，對燃料電池在不同壓力以及不同氣體流向的工況下進行仿真，分析各通道內的氣體濃度和液態水含量，發現增大操作壓力可以顯著提高反應氣體濃度和膜含水量，從而提高PEMFC 的性能。此外，氫氣和空氣的逆流布置有利于膜結構和電化學反應的均勻分布。Wang 等[10]建立了一個活性面積200 cm2的多蛇形流道質子交換膜燃料電池模型，通過模擬計算，展示了對電池中反應物傳輸、電化學反應以及冷卻劑通道中傳熱多種過程同時進行模擬的能力。隨著燃料電池的迅猛發展，需要研發一些能夠提供更大功率的燃料電池去提高其性能。大面積PEMFC 涉及到的零部件眾多，通過仿真可以對其進行前期的設計計算和后期的校核計算，縮短PEMFC 的研發周期，進而節約研發成本。

本文對具有實際流場結構的全尺寸大面積(509 cm2)直流道PEMFC 進行模擬，幾何模型網格數超過60 000 000，這么巨大的網格數量的仿真所需要的時間周期極長，到目前為止極其罕見。通過ICEM 對9 個不同組件進行單獨的網格劃分，最后合并成一個整體，將其導入Fluent 中進行長期的仿真。研究了大面積直流道雙極板在不同操作壓力下的反應氣體、水濃度、電流密度等的分布情況，并且結合實際測試，將研究結果應用于5 kW 電堆的制作及運行管理，效果良好。

1 模型描述

1.1 模型假設

燃料電池在實際工作過程中受到多重因素的影響，為了便于模擬計算，對燃料電池工作條件進行簡化處理，并做出以下假設：(1)反應氣體為理想氣體，并且不可以壓縮；(2)電池所用材料的熱導率是常數；(3)電池結構中只考慮擴散層和集流板的接觸電阻；(4)不考慮陽極過電勢；(5)反應氣不能滲透質子交換膜。

本文中數學模型涉及質量守恒方程、動量守恒方程、組分守恒方程、電荷守恒方程[11-15]。

質量守恒定律：

式中：ρ、ε、分別為密度、孔隙率、速度矢量。

動量守恒方程：

式中：p、μ、Su分別為壓力、粘度、動量源項。

組分守恒方程：

電荷守恒方程：

式中：σeff、Φ、Sφ分別為電導率、電勢和電流源項。

1.2 幾何模型

本文建立的幾何模型基于實際的全電池結構，如圖1 所示。單電池外形尺寸為295 mm×172 mm×1.50 mm，其中：活性面積509 cm2、流道深度0.45 mm、寬度0.1 mm、岸寬1 mm、集流板板板厚0.2 mm、擴散層0.2 mm、催化層0.01 mm、膜厚0.02 mm。

圖1 全電池幾何模型結構示意圖

2 結果與討論

2.1 極化曲線對比

實驗基準工況邊界條件為：陰陽極氣體過量系數2.0/1.2；相對濕度RHa=80%，RHc=40%；電池溫度K；陰陽極出口工作壓力pa=pc=200 kPa。在以上邊界條件下進行了電堆測試，得到了電堆的V-I 曲線。

在101 和200 kPa 兩種不同操作條件下，電池模擬V-I 曲線與實驗V-I 曲線進行對比，可見吻合良好，驗證了模型的可靠性，如圖2 所示。并且在200 kPa 這一較高的操作壓力下，相同電壓下的電流密度會更高。

圖2 不同操作壓力下電池模擬的性能曲線

2.2 流場分析

在不同的操作壓力下，沿著流道方向，氫氣和氧氣的摩爾濃度總體趨勢從進口處向出口處有所減少。本文中涉及的模型計算密度采用的是理想氣體定律，并且隨著操作壓力的增加，陽極流道的氫氣的均勻性會逐漸提高；而陰極流道中氧氣分布較為均勻。

在陰陽極催化層厚度1/2 處截取平面進行分析(圖3 和圖4)。在101 kPa 下，陽極催化層表面氫氣濃度從進口到出口有一個較明顯的下降，從0.094 kmol/m3下降到0.004 kmol/m3；在200 kPa 下，陽極催化層表面氫氣濃度從0.107 kmol/m3下降到0.043 kmol/m3。并且在不同工作壓力下，出口處都出現一個明顯的變化，這是由于隨著催化層反應的進行，生成的水量增加，在出口處淤積。

圖3 不同操作條件下陰陽極催化層的氣體濃度

圖4 不同壓力下陰陽極催化層的水含量

而陰極催化層氧氣分布的均勻性決定電池整體的均勻性。隨著操作壓力從101 kPa 增加到200 kPa，電化學反應增大，需要消耗的氧氣量成正比增加(從0.007 45 kmol/m3增加到0.013 3 kmol/m3)，陰極催化層的液態水含量也從3.85 增加到5.83，從入口到出口，液態水逐漸淤積，氧氣濃度逐漸減小。操作壓力越大，液態水含量越多，氧氣濃度變化梯度越大。并且隨著操作壓力的增加，電堆的氣體分布均勻性更佳，膜的液態水含量增加，并且分布更均勻，這會使得質子交換膜的電導率更高，膜的電流密度也更均勻，從而減小了歐姆損失。

燃料電池的水含量是影響其性能的關鍵性因素。圖5 中顯示了在不同操作壓力下的燃料電池水含量和電流密度。隨著操作壓力從101 kPa增加200 kPa，會降低參加化學反應所需的自由能，從而提高陰極氧氣的活性，加快化學反應速率。最終導致膜的水含量增加(從3.06 增加到4.67)，使膜進一步潤濕，從而達到更好的導電效果，電流密度也從0.453 A/cm2提高到0.706 A/cm2。因此在實際應用中，可以適當增加操作壓力，電池性能更好。但是操作壓力不應超過所選取膜的最大承受應力，因為操作壓力越大，氣體的流量就會隨之增加，流量過高，則會導致反應氣體將膜沖破，最終導致電堆漏氣以及堆溫過高等問題。

圖5 燃料電池長度1/2處的水含量和電流密度

3 模擬結果的工程應用

用509 cm2大面積雙極板組裝電堆，如圖6(a)所示。陰極濕度敏感度實驗邊界條件為：陰陽極氣體過量系數2.0/1.2；相對濕度RHa=80%，RHc=20%/40%/80%；電池溫度=353.15 K；陰陽極出口工作壓力pa=pc=200 kPa。壓力敏感度實驗邊界條件為：陰陽極氣體過量系數2.0/1.2；相對濕度RHa=80%，RHc=40%；電池溫度=353.15 K；陰陽極出口工作壓力pa=pc=135 kPa/145 kPa/155 kPa。在上述邊界條件下進行了電堆的陰極濕度敏感度實驗和壓力敏感度實驗。

在電堆的陰極濕度敏感度實驗中，調節陰極的進氣濕度(20%、40%、80%)，隨著氧氣濕度的增加，燃料電池的電流密度先升高后降低[圖6(b)]。這是由于在較低的加濕度時，加濕度是影響電池性能的主要因素，隨著陰極加濕度的逐漸增加，膜逐漸由干變濕，膜的電導率逐漸增加，電池性能越來越好。當陰極加濕度為40%，此時膜已經完全潤濕，電池性能最好。繼續加濕到80%，氧氣濃度成為影響電池性能的主要因素，增大加濕度會逐漸減少氧氣濃度，同時造成水淹電極，導致電池性能逐漸下降。

在電堆的壓力敏感度實驗中，從圖6(c)中的V-I 曲線可以看出，改變操作壓力的大小(135、145、155 MPa)，隨著操作壓力的增加，電堆的性能逐漸增加，這就與我們的仿真結果相符合(從101 kPa 增加200 kPa，燃料電池的電流密度從0.453 A/cm2提高到0.706 A/cm2)。這是因為隨著操作壓力的增加，電堆的氣體分布均勻性更佳，膜的液態水含量增加，并且分布更均勻，這會使得質子交換膜的電導率更高，膜的電流密度也更均勻，從而減小了歐姆損失。

圖6 5 kW 電堆在不同工況下的V-I曲線

4 結論

本文通過對具有實際流場結構的全尺寸509 cm2大面積單電池進行不同操作壓力以及不同陰極濕度的仿真得出，增加操作壓力可以顯著提高電池性能，隨著操作壓力從101 kPa 增加到200 kPa，燃料電池的電流密度進一步提高，從0.453 A/cm2提高到0.706 A/cm2。并將模擬結果應用于5 kW 電堆的制作及運行管理，效果良好。本文的電池仿真模擬方法及數據對大面積雙極板的質子交換膜燃料電池結構設計及其實際工程化應用方面，具有一定的參考價值。