氫燃料電池復合流場中氣-液傳輸對極化特性的影響

摘 要：為了明確氫燃料電池極板內氣-液流動規律，提高氫燃料電池的輸出性能，優化電池輸出特性，設計徑向流通蛇形流場方案，仿真分析流場分路和面積對氣-液傳遞及電池輸出特性的影響。仿真結果表明：在不同分路數量的流場中，3條分路的流場結構水堵塞面積更小，更利于氧氣傳輸，輸出性能更佳，電流輸出范圍比5條分路擴寬14.1%，但在電流密度較大時流場內部氣體輸送不及時，功率輸出受濃差極化電壓的影響較大；流場面積主要影響歐姆控制區和濃差控制區，大面積流場在歐姆控制區輸出性能較好，小面積流場在濃差控制區輸出性能較好。

關鍵詞：氫燃料電池；流場設計；氣液流動；極化特性

中圖分類號：TM911.4文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0011-09

引用格式：崔萬鑫， 商顯上，王璐，等.氫燃料電池復合流場中氣-液傳輸對極化特性的影響［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（4）：11-19.

CUI Wanxin， SHANG Xianshang， WANG Lu， et al.Effect of gas-liquid transportation on polarization characteristics in hydrogen fuel cell complex flow field［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：11-19.

0 引言

隨著碳排放等環境問題日益凸顯，燃料電池作為一種新型低碳動力裝置，具有零排放、功率高等優勢，在減排脫碳方面發揮著重要作用。質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cells，PEMFC）技術雖然在交通、儲能等領域已得到初步應用［1］，但目前PEMFC仍存在電池物理場分布不均、大電流密度下性能易失穩、穩定輸出范圍小、電池體積比功率低等亟待解決的關鍵技術問題。為應對當前PEMFC大功率迭代升級的發展需求，大功率、長壽命燃料電池的研究開發己成為能源技術競爭的重點［2］。

氫燃料電池雙極板氣-液相傳輸優化是提高功率密度的必然要求，雙極板是燃料電池重要組成部分，其流場結構直接影響電堆的氣-液相傳輸，進而決定物質傳遞、傳熱、電化學反應等過程［3］。研究表明，作為氣-液傳遞過程的主要場所，流場的長度、脊槽比和截面形狀對PEMFC性能具有重要影響［4］。精細化的流場設計可有效改善流場局部壓力，使電池物理場分布更均勻，更利于氣體的擴散和水排出［5］。隨著電堆體積比功率的進一步提高以及材料和制備技術的不斷完善，流場肋板可以設計得更窄，從而減小單體電池厚度［6］。

目前，燃料電池極板結構多采用平行流場、蛇形流場等傳統型流場設計，其中，蛇形流場應用較廣泛，多路蛇形流場能夠有效改善流場內壓降和氣體分布均勻性，但由于多流場原因，流場內氣體流速不足易造成水淹現象［7］。新興的仿生流場、3D流場等異型流場比傳統型流場具有更加突出的優點及缺點：仿生流場設計使反應物分布更加均勻，獲得更高的輸出功率；3D流場采用特殊供氣方式，增強反應氣體向擴散層的傳質效果，有效減小電池的濃差極化損失；但仿生流場、3D流場結構復雜，加工成本較高。常見的仿生流場有葉形流場、肺形流場、樹形流場［8］。Damian-Ascencio等［9］研究表明，流場中樹狀二級分叉型結構能夠有效去除陰極流場中的液態水，使電堆產生更高的輸出功率；Badduri等［10］對三蛇形、肺形和葉形流場進行了對比研究，發現葉形流場的性能最佳，且葉形流場交指設計的電堆凈功率密度比非交指設計大5.58%。仿生流場中的多分支結構能使反應氣體分布均勻，有利于水的排出［11］；3D流場設計多采用特殊的供氣方式，沈?。?2］設計了一種內有主流場和副流場的3D流場，實現了水氣分離，有效避免了流場內的水淹現象。復雜的3D流場使氣體傳輸不被限制在固定的流場中，相鄰流場之間的氣體交互更自由，增強了反應氣體向擴散層的傳質效果，可有效減小電池的濃差極化損失［13］。徑向型流場最早由Diethelm ［14］設計，解決了燃料電池電堆組裝過程中極板脆弱易斷裂的問題；Cano-Andrade等［15］設計的徑向流場，既避免較大壓降又兼具較好的排水性能，并驗證了徑向流場可以取代目前使用的傳統流場。隨著極板制造技術的改進，未來異型流場設計實際應用價值潛力巨大。

流場設計應保證氣體分布的均勻性，加強傳質效果，提高氣體的利用率，還應兼顧良好的水熱管理能力。異型流場內流動特性優化是提高氣體利用率、解決電池物理場均勻性、降低極化損失的有效方法。因此，本文中提出一種兼具蛇形流場與徑向流場特點的復合流場，建立該流場不同方案的三維模型，將流場分路及面積作為研究關鍵，分析流場內部氣液兩相流狀態對電池性能的影響，為提高燃料電池性能和功率密度、推動燃料電池技術的商業化和規模化應用提供參考。

1 模型描述

1.1 幾何模型

結合蛇形流場特點和徑向流場特殊的供氣方式，采用三維兩相流計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）方法設計的復合式流場流體域模型及結構參數如圖1所示，流場計算域網格劃分模型如圖2所示。

氣體流通截面積為1 mm×1 mm，不同方案流場參數如表1所示。由表1可知：方案 A、B、C分別采用3、4、5條分路徑向流通設計，方案 A、D、E為計算域直徑不同的復合式流場。

計算域由流體流場、質子交換膜（proton exchange membrane ，PEM）、催化層（catalytic layer，CL）、氣體擴散層（gas diffusion layer，GDL）組成，計算域邊界條件及材料屬性如表2、3所示。

1.3 模型驗證

基于方案A模型電池進行網格無關性驗證，創建5種不同網格數的模型，以輸出電壓為0.3 V時的電流密度為例，不同網格數計算的電流密度與試驗結果（電流密度為1.65 A/cm2）對比如表4所示，表中相對誤差為仿真計算的電流密度與試驗結果的差和試驗結果的比。由表4可知：隨著網格數增多，電流密度收斂于1.65 A/cm2附近；當網格數為453 456時，電流密度相對誤差為0。考慮到模型計算效率及精度，網格數選擇453 456。為了驗證仿真模型的有效性，建立與 Cheng 等 ［20］相同的平行流場三維模型，邊界條件為：陰、陽極入口氣體流速分別為0.5、0.3 m/s，電池溫度為323 K，電池壓力為101.325 kPa，仿真與試驗結果對比如圖 3所示。由圖3可知：仿真結果整體略低于試驗結果，數值解析模型與試驗數據偏差不超過5%，本文中的模型有效。

2 仿真結果與分析

2.1 流場分路數對PEMFC性能的影響

2.1.1 復合式流場傳質性能

輸出電壓為0.5 V時陰極側GDL-CL交接面處液態水的摩爾分數分布如圖4所示。由圖4可知：1）采用蜿蜒的扇形蛇形流場設計可以較好地去除液態水。2）在扇形區域內，由于流場內氣流的吹掃作用，流場覆蓋區域液態水的摩爾分數明顯低于雙極板肋下覆蓋區域。3）由于液態水毛細擴散特性，在流場末端液態水擴散系數增大，液態水傳遞阻力更大，電極中液態水的輸運具有積聚效應，容易在靠近電池出口處的電極處積聚，因此，液態水在電池內的傳輸有再分布的特征，電池中心區域電化學反應更強烈，反應產生的水在氣流吹掃下更易在流場末端積聚并排出，使得流場外圍水含量明顯高于中心部位。4）由于流場采用徑向設計，整體流場呈現為蜿蜒的扇形蛇形流場，使得氣體流動不僅有沿流場的速度分量，還有流向四周的徑向速度分量，可以高效地將肋下部分水分吹掃向外圍相鄰流場，進而在一層層的吹掃作用下使液態水流向最外圍；在相鄰扇形流場的交接處肋下部位，由于兩側氣體流向相反，使液態水均向此區域堆積，氣體難以向CL擴散，造成了肋下部位區域液態水含量較高；3種流場設計中，出現類似肋下區域液態水的摩爾分數過高的現象均無法避免，由于流場設計本身的局限性， 方案C流場肋下區域面積最大，方案B次之，方案A最小。

輸出電壓為0.5 V時陰極側CL電流密度分布如圖5所示。由圖5可知： 3種流場電流密度分布為由中心至四周逐漸下降，且流場覆蓋區域電流密度高于肋下區域；由于流場采用徑向流場布置，在流場靠近中心部位流阻更大，更多的氧氣擴散至靠近中心部位的催化層，液態水更少的區域更有利于氧的擴散，其電化學反應更強烈，方案A各區域電流密度普遍高于方案B、C。

2.1.2 復合式流場輸出特性

方案A、B、C 3種流場電池的輸出特性曲線如圖6所示。由圖6可知：由于各模型邊界條件及材料配置均一致，所以3種模型受到活化極化影響的差距較小，在活化控制區域，輸出特性曲線重合度較高，輸出性能差異較?。辉跉W姆控制區和濃差控制區，輸出性能出現差異，輸出電壓相同時，輸出功率由低到高依次為方案C、B、A；由于方案A各區域氧氣濃度普遍較高，液態水的摩爾分數偏大時肋下面積更小，方案A流場的輸出性能更優，其電流輸出范圍比方案B、C擴寬6.5%和14.1%；方案A電池輸出性能在高電流密度時下降過快，說明此時電池內部物質傳輸不及時，反應物濃度變化導致電池濃差極化電壓變大，可通過適當減小電池面積進行優化，以緩解電池在大電流密度時的反應物輸送難度特別是對流場末端的輸送不及時現象。

2.2 流場面積對PEMFC性能的影響

2.2.1 不同面積流場極化特性

由于反應動力學特性不隨電池面積改變，電池的放大效應與其傳質特性密切相關，仿真分析方案A、D、E的輸出特性，結果如圖7所示。由圖7可知：電池流場面積的改變造成的輸出性能差異主要在歐姆控制區和濃差控制區，歐姆控制區受氫離子傳遞效率的影響，濃差控制區主要受氣-液傳輸過程的影響；流場面積增大使電池有效輸出范圍變小；以面積最小的方案E為參考基準，方案A、D電流輸出范圍降低9.1%和4.7%；輸出電壓為0.7 Ｖ時，方案A、D較方案E的電流密度增大13.2%和5.5%。原因為：流場面積增大，膜內的水更充足，氫離子傳遞得到強化，在歐姆控制區更利于提高電池的輸出性能。

2.2.2 歐姆控制區對PEMFC輸出特性的影響

氫離子的傳輸效率影響歐姆控制區電化學反應效率，氫離子的傳輸很大程度上是由膜內水的摩爾分數決定，膜內水的摩爾分數越大，氫離子傳輸速率越快，輸出電流密度也就越大。在燃料電池面積放大過程中，電池整體反應物進料量增加，被帶入的水蒸氣也隨之增加，電池內含水量更為充分。3種不同面積電池的膜內水的摩爾分數分布如圖8所示。由圖8可知：大面積電池膜內水的摩爾分數明顯更大，有利于提高氫離子的傳遞速率與電池的電流輸出。

2.2.3 濃差控制區對PEMFC輸出特性的影響

輸出電壓為0.5 V時，不同面積電池中CL處電流密度分布如圖9所示，陰極側CL-GDL交接面處水的摩爾分數分布如圖10所示。

由圖9可知：隨著電池面積增加，電流密度在外圍顯著下降，說明反應物在電池外圍的傳質受阻，原因是電極中的液態水積聚，氧氣向CL處擴散的阻力增加。由圖10可知：在CL-GDL交接面處液態水的摩爾分數由內到外逐漸增加；面積越大的流場外圍水含量越高，這一現象表明液態水的傳輸與電池的面積緊密相關。當電池面積擴大后，對應流場流程變長，電極中液態水毛細擴散的距離增加，傳遞阻力變大，排水更加困難，液態水的積聚更為明顯。輸出電壓為0.5 Ｖ時，方案D、E較方案A電流密度提高了3.1%和6.3%。面積更大的電池流場外圍液態水的摩爾分數更大，阻礙反應物供給，使外圍流場反應效率降低，從而導致電池性能下降。

3 結論

采用三維兩相流CFD模型，設計復合式流場電池并仿真分析了復合式流場在氣-液流動、極化特性等方面的性能。

1）3種不同分路數量流場電池中，方案A因水阻塞造成的低效率面積較小，輸出性能最佳，方案 A流場的電流輸出范圍比方案 B、C增大6.5%和14.1%；但由于流場采用徑向設計，外圈流場過長，在電流密度較大時，對氣體的輸送能力不足，導致輸出性能受濃差過電壓的影響較大。

2）不同面積流場電池，電池尺寸與電池內部的氣-液兩相流傳遞直接相關，主要影響歐姆控制區和濃差控制區；在大面積流場中，由于膜內水含量更充分，氫離子傳遞加強，大面積流場性能在歐姆控制區更佳；但在濃差控制區，膜內水分飽和，大面積流場液態水在多孔電極內積聚反而更嚴重，阻礙反應物供給，導致大面積流場輸出性能下降；方案A、D較方案E電流密度范圍降低9.1%和4.7%。

3）流場末端排水能力不足是電池面積放大過程的共性機制，是導致流動分布不均進而導致電池性能下降的直接原因，只有解決電池排水能力與流動均布等關鍵問題，才能實現燃料電池的大功率發展。

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Effect of gas-liquid transportation on polarization characteristics in

hydrogen fuel cell complex flow field

CUI Wanxin1， SHANG Xianshang1， WANG Lu2， KONG Xiang′an1，

DIAO Yantao3， LI Xinhai1*

1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China;

2.School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China;

3.Shandong Heze Huaxing Fuel Injection Equipment Co.， Ltd.， Heze 274000， China

Abstract：In order to clarify the gas-liquid flow law in the plate of hydrogen fuel cell， improve the output performance of hydrogen fuel cell， optimize the output characteristics of the battery from the flow field structure，

the design scheme of radial flow snake flow field is proposed， and the influence of the flow field branch and area on the gas-liquid transfer and the output characteristics of the battery is simulated. The simulation results show that in the flow field with different number of branches， the flow field structure of the 3 branches has smaller water clogging area， which is more conducive to oxygen transportation， and the output performance is better. Compared with the 5 branches， the current output range can be widened by 14.1%. However， when the current density is large， the gas transmission inside the flow field is not timely， and the power output is greatly affected by the concentration polarization voltage. The flow fields area mainly affects the Ohm control region and the concentration control region. The output performance of the large area flow field is better in the Ohm control region， and the output performance of the small area flow field is better in the concentration control region.

Keywords：hydrogen fuel cell; flow field design; gas-liquid flow; polarization characteristics

（責任編輯：劉麗君）

收稿日期：2024-04-18

基金項目：山東省自然科學基金項目（ZR2021QE065）；山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目（2022TSGC2041，2023TSGC0855）

第一作者簡介：崔萬鑫（1999—），男，濟南人，碩士研究生，主要研究方向為氫燃料電池CFD數值解析應用，E-mail：1325963743@qq.com。

*通信作者簡介：李新海（1989—），男，濟南人，工學博士，副教授，主要研究方向為氫燃料電池電堆系統及關鍵部件技術，E-mail：lixinhai19@sdjzu.edu.cn。