質(zhì)子交換膜燃料電池隨行波流場(chǎng)設(shè)計(jì)與傳質(zhì)特性

關(guān)鍵詞： 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；隨行波流場(chǎng)；傳質(zhì)性能；功率密度

中圖分類號(hào)： U 469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.03.008

質(zhì)子交換膜燃料電池 （proton exchange membranefuel cell，PEMFC） 是一種將高熱值的清潔能源—?dú)淠堋苯愚D(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)裝置[1-5]，作為PEMFC 的核心結(jié)構(gòu)之一[6]，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)具有低擴(kuò)散特性的氧氣的分配與高表面張力的液態(tài)水的運(yùn)輸起到重要的作用[7]，已成為研究的熱點(diǎn)。優(yōu)異的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不僅能提升雙極板（bipolar plate，BP） 的氧氣傳輸和排水性能[8]，同時(shí)，對(duì)進(jìn)一步提高質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的功率密度也起到積極的作用[9]。因此，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)推動(dòng)高性能雙極板的應(yīng)用進(jìn)程具有十分重要的意義。

目前，常見的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有蛇形式流場(chǎng)、平行式流場(chǎng)和叉指式流場(chǎng)等。蛇形式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是由多處彎曲的流道組成[10]，具有長流程的特點(diǎn)，需消耗大量的氣體動(dòng)能以迫使燃料流經(jīng)質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的所有活性反應(yīng)區(qū)域，容易產(chǎn)生氧氣分布不均勻的問題[11]。

平行式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是由多條相互平行的流道組成[12]，具有流阻小、壓力損失小等突出優(yōu)點(diǎn)，能有效降低流場(chǎng)結(jié)構(gòu)引起的寄生功率，但卻無法保證每條平行流道的燃料分配的均勻程度，使PEMFC 在低化學(xué)計(jì)量比的工況下面臨嚴(yán)重的傳質(zhì)損失問題[13]。

叉指式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是由相互平行的堵塞型流道組成[14]，具有明顯的對(duì)流效應(yīng)和良好的傳質(zhì)效果，但是卻需要供氣系統(tǒng)長期過度負(fù)載才能維持流場(chǎng)的傳質(zhì)效果[15]。另外，科研工作者通過流場(chǎng)組合[16]、流場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化[17] 和工況調(diào)整[18] 的方式以期能增強(qiáng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)性能，但都與預(yù)期的傳質(zhì)效果存在一定的差距。

為了進(jìn)一步提高傳質(zhì)性能，研究人員在常規(guī)流場(chǎng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多種強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)。天津大學(xué)WANGBowen 等人[19] 設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部銳角為60°，平面傾斜30°的棱形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并通過研究發(fā)現(xiàn)棱形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能提高氧氣擴(kuò)散性能和分布的均勻程度，進(jìn)而提升質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的輸出性能。中科院大連化學(xué)物理研究所HE Liang 等人[20] 設(shè)計(jì)了一種具有S 型形貌特征的傳質(zhì)結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，半徑17.4 mm和長度 40 mm 的S 型強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)推動(dòng)PEMFC 的峰值功率密度大幅度提升，最高可達(dá)1.02 W/cm2。華南理工大學(xué)LIU Qingshan 等人[21] 設(shè)計(jì)了一種高度0.4 mm 和間距1.0 mm 的螺旋式強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)PEMFC 的凈功率密度提高了11.42%。

日本豐田公司科研人員[22] 開發(fā)了一種三維精細(xì)網(wǎng)格流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，能將生成的水迅速從氣體擴(kuò)散層（gasdiffusion layer， GDL） 轉(zhuǎn)移。同時(shí)，氣體擴(kuò)散層內(nèi)的氧氣含量提升了2.3 倍，使PEMFC 的功率性能提升了15%。

美國底特律大學(xué)Y. Awin 等人[23] 設(shè)計(jì)了一種具有多孔特征的泡沫結(jié)構(gòu)，探索了泡沫流場(chǎng)的對(duì)流傳質(zhì)特性，發(fā)現(xiàn)了具有泡沫流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的PEMFC 的功率密度比流道深1.0 mm、寬1.0 mm 的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)高出9.9%。

然而，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)普遍復(fù)雜，極大增加了加工制造的難度與成本，其實(shí)際應(yīng)用性有待進(jìn)一步完善。

本文設(shè)計(jì)了一種以圓弧凹面作為強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)的隨行波流場(chǎng)，降低反應(yīng)氣體滲透方向與流動(dòng)方向之間的夾角，提供更好的傳質(zhì)行為，同時(shí)隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)便于加工制造，易滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性；結(jié)合銑削工藝制造了隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，熱壓工藝制造了相應(yīng)的配套膜電極；采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，探索了強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)PEMFC 內(nèi)部速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及電場(chǎng)等流場(chǎng)的作用機(jī)理，明晰了速度、氧氣、水及電流的空間分布特性；并與流道深0.6 mm、寬0.8 mm 的常規(guī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)做對(duì)比。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型建立

1.1 隨行波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受海面波浪結(jié)構(gòu)形貌的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種以圓弧凹面作為強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)的隨行波流場(chǎng)，如圖1 所示。隨行波結(jié)構(gòu)由迎風(fēng)波浪和背風(fēng)波浪組成，迎風(fēng)波浪的長度大于背風(fēng)波浪的長度，且兩者的分界線為隨行波波峰。迎風(fēng)面的圓弧凹面能引導(dǎo)氣體的流動(dòng)方向，降低反應(yīng)氣體滲透方向與流動(dòng)方向之間的夾角，從而達(dá)到增強(qiáng)傳質(zhì)效果的目的。隨行波流場(chǎng)的流道采用蛇形式布置，且每單列流道內(nèi)布置了7 個(gè)隨行波結(jié)構(gòu)。隨行波結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 制 造

2.1 隨行波流場(chǎng)制造

采用銑削工藝，加工隨行波流場(chǎng)，如圖2 所示。隨行波流場(chǎng)的銑削加工過程通常包括以下步驟：

1） 根據(jù)石墨流場(chǎng)板的材料特性，銑刀直徑設(shè)置為0.5 mm，并選擇相應(yīng)的配套夾具尺寸；

2） 基于隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸和形貌特征，確定夾具的具體位置；

3） 按照蛇形流道的分布特點(diǎn)，設(shè)定銑刀路徑和方向；

4） 結(jié)合隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸精度要求，銑刀轉(zhuǎn)速設(shè)置為22 000 r / min，切削速度為3.5 m / min，切削深度為80μm ；

5） 對(duì)工件進(jìn)行質(zhì)檢，確保尺寸、形狀和精度符合要求。

質(zhì)檢儀器采用產(chǎn)自日本KEYENCE 公司的形狀測(cè)量激光顯微鏡，綜合倍率為28 800 倍，紫色半導(dǎo)體激光為404 nm， x、 y、 z 軸的顯示分辨率分別為1.0、1.0、0.5 nm。研究結(jié)果表明，銑削加工的隨行波結(jié)構(gòu)尺寸完全符合精度要求。

2.2 膜電極制備

在膜電極的制備過程中，如圖3 所示。采用面積為50 mm×50 mm 的氣體擴(kuò)散層作為支撐體，結(jié)合熱壓技術(shù)將型號(hào)為N117 的質(zhì)子交換膜與已涂敷催化層（catalyst layer，CL） 的氣體擴(kuò)散層粘合。

膜電極的熱壓工藝通常包括以下幾個(gè)步驟：

1） 堆疊工藝：將陽極和陰極以及質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，PEM） 按照陽極—膜—陰極的順序進(jìn)行層堆疊，并確保每層之間沒有氣泡和雜質(zhì)的存在；

2） 熱壓工藝：將熱壓機(jī)的上下模溫度均設(shè)置為393.15 K，靜壓壓力為5.0 MPa，堆疊的膜電極在熱壓機(jī)中熱壓1～2 min ；

3） 質(zhì)檢工藝：對(duì)膜電極成品的GDL 進(jìn)行微觀成像觀測(cè)，觀察多孔結(jié)構(gòu)的形貌，并檢查膜電極的貼合度。

實(shí)驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡對(duì)熱壓后的氣體擴(kuò)散層GDL 進(jìn)行成像觀測(cè)。掃描電子顯微鏡型號(hào)為JSMIT500A，最大像素為5 120×3 840。由多孔結(jié)構(gòu)形貌可知，熱壓后的GDL 結(jié)構(gòu)表面平整、孔隙均勻，且未受到明顯的破壞。因此，制備的膜電極滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

燃料電池測(cè)試系統(tǒng)主要由氣體供給模塊、氣體加濕模塊、電池測(cè)試模塊和背壓調(diào)節(jié)模塊等組成。供氣系統(tǒng)模塊采用型號(hào)為D07-19C 的質(zhì)量流量控制器控制氫氣與空氣的的流量；氣體加濕模塊采用型號(hào)Al-508的溫度控制器控制進(jìn)口氣體的露點(diǎn)溫度；電池測(cè)試模塊采用型號(hào)為IT8513C+ 的直流電子負(fù)載測(cè)量電池的電壓、電流和輸出功率；背壓調(diào)節(jié)模塊采用型號(hào)為HBP-1 型背壓閥控制出口壓力。測(cè)試系統(tǒng)的精度如表2所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在評(píng)估隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)性能之前，需對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，引進(jìn)直流道流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并與隨行波結(jié)構(gòu)形成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，揭示隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳質(zhì)機(jī)理。隨行波流場(chǎng)的流道的寬1.0 mm，深1.0 mm，肋寬1.0 mm ；而常規(guī)流道的流道的寬0.8 mm，深0.6 mm，肋寬0.9 mm，其余結(jié)構(gòu)的物性參數(shù)均相同。根據(jù)流道幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用相同劃分方法對(duì)隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和常規(guī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體模型網(wǎng)格參數(shù)如表3 所示。

網(wǎng)格模型建立后，需對(duì)邊界條件和物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[27-29]。仿真模型的邊界參數(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取的參數(shù)相同，具體參數(shù)如表4 所示。氫氣與氧氣體積流量分別設(shè)置為1.0、2.5 L/min，同時(shí)將表5 所示的模型物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，利用仿真軟件Fluent 模擬氫燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)過程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算并分析模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差。

圖4為2種流場(chǎng)模型網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。隨行波流場(chǎng)的網(wǎng)格數(shù)量由160萬增至400萬時(shí)，0.7 V電壓對(duì)應(yīng)的電流密度相應(yīng)增大了1.56%。常規(guī)流場(chǎng)的網(wǎng)格數(shù)量由487.5萬增至975萬時(shí)，電流密度增大了1.18%。基于計(jì)算時(shí)間的考慮，選取模型1 的網(wǎng)格數(shù)符合模型要求。

圖5為隨行波流場(chǎng)在0.4～0.8 V的電壓范圍內(nèi)電流密度實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比分析。

誤差值范圍為1.25%～1.97%，在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍之內(nèi)[30]。而常規(guī)流場(chǎng)在0.4～0.8 V 的電壓范圍內(nèi)電流密度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差在1.13%～1.82%的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型的邊界條件和物性參數(shù)的設(shè)置是準(zhǔn)確的，且誤差滿足計(jì)算要求。

3.2性能分析

圖6為隨行波流場(chǎng)與常規(guī)流場(chǎng)的速度分布規(guī)律圖。

由圖6a 可知，隨行波流場(chǎng)的凹面波浪結(jié)構(gòu)能引導(dǎo)流體的流動(dòng)方向偏向氣體擴(kuò)散層GDL的法線方向，波峰結(jié)構(gòu)縮小了流道橫截面積，有效地增強(qiáng)了流體速度，強(qiáng)化了流體向GDL 的傳質(zhì)性能。反觀常規(guī)流場(chǎng)，在無導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的流道內(nèi)流體速度無法提升，且流體沿GDL法向的垂直方向流動(dòng)，致使氧氣主要以自由擴(kuò)散的方式發(fā)生傳質(zhì)行為。

在隨行波結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流作用下，BP與GDL界面的氣體流動(dòng)速度出現(xiàn)局部增大的現(xiàn)象，其速度大于常規(guī)流場(chǎng)同等位置的速度，為提高GDL的氧氣含量創(chuàng)造有利的條件。通過計(jì)算，隨行波流場(chǎng)的平均流速為14.43 m/s，與常規(guī)流道相比，速度提升了27.7%。

圖7為隨行波流場(chǎng)與常規(guī)流場(chǎng)的BP-GDL 界面的壓力、氧氣和水分布。在入口體積流量保持不變的條件下，降低流場(chǎng)的流動(dòng)阻力，避免流體為克服阻力而消耗大量動(dòng)能，進(jìn)而提高BP 與氣體擴(kuò)散層GDL 界面的氣體流動(dòng)速度，有效提升PEMFC 的凈輸出功率。在隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，流體在流道壁面的摩擦阻力與隨行波結(jié)構(gòu)引起的局部阻力的雙重作用下，流場(chǎng)進(jìn)口壓降為246.5 kPa。在常規(guī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，流道采用深0.6 mm寬0.8 mm 的直流道，流體只受摩擦阻力影響，流場(chǎng)進(jìn)口壓降為293.8 kPa。研究結(jié)果表明，隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在同等工況下的壓損比常規(guī)流場(chǎng)少16.10%，流道結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)引起的壓損大于強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)。

由圖7 可知，在體積流量保持不變的條件下，增大流道內(nèi)流體速度有利于增加氧氣的濃度梯度，為氧氣的運(yùn)輸過程提供動(dòng)力，從而提升氧氣的傳質(zhì)性能。流場(chǎng)的入口區(qū)域聚集大量的高濃度氧氣，隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，氧氣濃度有所下降，在出口區(qū)域達(dá)到最低。與常規(guī)流場(chǎng)相比，隨行波流場(chǎng)的BP-GDL 界面的氧氣含量提升了1.44%。

流場(chǎng)內(nèi)的水含量變化過程可分為消耗和生成2個(gè)狀態(tài)： 前者主要發(fā)生在流場(chǎng)的入口區(qū)域，飽和水蒸氣由流道向GDL 擴(kuò)散，對(duì)膜電極起到濕潤的作用，為氧氣的電化學(xué)反應(yīng)提供有利的條件; 后者主要發(fā)生在流場(chǎng)的中部與出口區(qū)域，電化學(xué)反應(yīng)生成的水由氣流吹掃從GDL流入流道中，并在流場(chǎng)出口處堆積形成水淹現(xiàn)象，對(duì)PEMFC 的持續(xù)工作產(chǎn)生不利的影響。與常規(guī)流場(chǎng)相比，隨行波流場(chǎng)表現(xiàn)出更佳的濕潤效果和排水性能。與常規(guī)流場(chǎng)相比，流場(chǎng)出口的排水速率由0.06g /s 增至0.07g/s，提高了16.67%。

圖8為相同工況下2種流場(chǎng)的極化曲線圖。當(dāng)電壓小于0.8 V時(shí)，PEMFC 將面臨因反應(yīng)物濃度降低造成電壓損失的問題。在傳質(zhì)損失區(qū)，與常規(guī)流場(chǎng)相比，隨行波流場(chǎng)的強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)使反應(yīng)物的濃度損失減小，進(jìn)而降低了PEMFC 的電壓損失程度。當(dāng)PEMFC 運(yùn)載電壓為0.5V 時(shí)，其功率密度達(dá)到最大，其數(shù)值為1.416 W / cm²，比常規(guī)流場(chǎng)提升了8.59%。

圖9為電流密度分布規(guī)律。電流在極板的分布規(guī)律呈現(xiàn)中間高、兩端低的趨勢(shì)，在極板入口區(qū)域，燃料未充分?jǐn)U散，致使質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的電流密度較低；在極板的中間位置，燃料流經(jīng)較長的流道后得到充分?jǐn)U散，膜電極相應(yīng)地達(dá)到電化學(xué)反應(yīng)的濕潤度，致使電流密度明顯增大；在極板的末端，反應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)水淹與燃料濃度減低的現(xiàn)象，電流密度相應(yīng)地減小。由于隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)燃料傳輸與吹掃過程具有強(qiáng)化效果，致使其電流密度明顯大于常規(guī)流場(chǎng)，最大的電流密度可達(dá)1.856 A / cm²。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種以圓弧凹面作為強(qiáng)化傳質(zhì)結(jié)構(gòu)的隨行波流場(chǎng)，結(jié)合銑削工藝，實(shí)現(xiàn)了隨行波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的制造；以流道深0.6 mm、寬0.8 mm 的常規(guī)流場(chǎng)為參照，并采用模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，探索了隨行波流場(chǎng)內(nèi)部速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及電場(chǎng)的分布規(guī)律，突出了隨行波流場(chǎng)傳質(zhì)性能優(yōu)越性。結(jié)論如下：

1） 隨行波流場(chǎng)具有增強(qiáng)流速的效果，改變流體流動(dòng)的方向，引導(dǎo)流體矢量偏向氣體擴(kuò)散層氣體擴(kuò)散層的法向方向。

2） 流場(chǎng)的流動(dòng)阻力由摩擦阻力和局部阻力2 部分組成，隨行波結(jié)構(gòu)引起的壓力損失比常規(guī)流場(chǎng)少19.19%。

3） 在體積流量相同的條件下，隨行波流場(chǎng)的氧氣含量比常規(guī)流場(chǎng)提高了1.44%，流道出口的排水速率同比增大了16.7%。

4） 電流在極板的分布規(guī)律呈現(xiàn)中間高、兩端低的趨勢(shì)， 當(dāng)質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 的運(yùn)載電壓為0.5 V，隨行波流場(chǎng)的最大功率密度為1.416 W / cm2，與常規(guī)流場(chǎng)相比，功率密度提升了8.59%。