幾何擋板對PEMFC 性能的影響與優(yōu)化

摘要：為了改善質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的性能，采用在流道內(nèi)添加擋板改變流道結(jié)構(gòu)的方式，以有效提高反應(yīng)氣體的電流密度和傳質(zhì)特性。提出在PEMFC 單直流道中添加4 種不同的幾何擋板流道結(jié)構(gòu)，通過研究其不同結(jié)構(gòu)型擋板對反應(yīng)氣體傳輸特性的影響。研究結(jié)果表明：在流道中添加擋板，使更多的反應(yīng)氣體滲透到氣體擴(kuò)散層，促進(jìn)質(zhì)量傳遞，PEMFC 的整體輸出性能得到明顯提升；同時，添加擋板可以使反應(yīng)氣體質(zhì)量傳遞更佳，相對氣體均勻分布，水物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減少，有效避免水淹現(xiàn)象，排水能力更好；流線形擋板為此類擋板中性能更為優(yōu)異的；優(yōu)化后的單條流道中設(shè)置5 個流線形擋板的PEMFC 性能最好，相較于無擋板常規(guī)流道，當(dāng)工作電壓為0.1 V 時，無擋板流道的電流密度為1.237 3 A/cm2，優(yōu)化后的擋板結(jié)構(gòu)流道電流密度為1.536 9 A/cm2，提升約24.2%，峰值功率密度則提高了17.7%。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；擋板；流道；電流密度；功率密度

0 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種新型的能源裝置，可將H2與O2的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，PEMFC 具有轉(zhuǎn)換效率高、維護(hù)方便、反應(yīng)物無污染等特點(diǎn)，在千瓦量級的功率輸出條件下，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到50%～60%［1-2］。PEMFC 雙極板內(nèi)的流道結(jié)構(gòu)是燃料電池設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)，不合理的流道設(shè)計會導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部出現(xiàn)水淹現(xiàn)象與反應(yīng)氣分布不均的情況，直接影響到燃料電池的綜合性能［3］。對流道擋板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，在不增加成本的前提下提高PEMFC 的電流密度和功率密度，是實現(xiàn)PEMFC 商用化成本要求和緊湊化要求的有效途徑［4-6］。研究發(fā)現(xiàn)，在PEMFC 陰陽極流道中插入擋板塊，能夠有效提高燃料電池的氧輸運(yùn)性能［7］。

DONG 等［8］提出了5 種不同形狀的擋板，通過數(shù)值計算表明，添加擋板并進(jìn)行優(yōu)化后，與無擋板的傳統(tǒng)流道相比，最大轉(zhuǎn)化效率可以提高17.09%。PERNG 等［9］設(shè)計出60°傾角的梯形擋板，研究了5 種角度的梯形擋板對流道內(nèi)反應(yīng)氣體的影響。結(jié)果表明：60°傾角與1.125 mm 高度的梯形擋板能大幅度提高PEMFC 的凈功率，并降低壓降。LI 等［10］通過對4 種新型流線形水滴狀擋板的研究，得出相比于傳統(tǒng)流道，此型擋板通道性能更好，擴(kuò)散速度更高、流動阻力更低。LIU 等［11］在流道內(nèi)添加了仿生鰭狀擋板，得出此型流道可使氣體擴(kuò)散層（GDL）表面液滴的去除效率有效提高，進(jìn)而防止液滴積聚。WANG 等［12］通過對傳統(tǒng)平行流場、平行梯形擋板和交錯梯形擋板3 種流場PEMFC 的傳質(zhì)特性和排水性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：2 種添加擋板的流道均有利于提高流道到電極的傳質(zhì)特性，且交錯梯形擋板流道的氣體分布均勻性與排水性能更加優(yōu)異。YIN 等［13］研究發(fā)現(xiàn)，PEMFC 的性能首先隨著擋板數(shù)量的增加而提高，但當(dāng)擋板數(shù)量過多時則會降低。當(dāng)流道內(nèi)矩形擋板數(shù)量為5 時，PEMFC 的凈功率最佳。

眾多學(xué)者分別從擋板的形狀、數(shù)量及分布方式等方面對PEMFC 流道開展了大量研究。在流道中添加擋板的方式可強(qiáng)化PEMFC 的傳質(zhì)特性并改善其輸出性能，但不同的擋板結(jié)構(gòu)對于PEMFC的性能有著明顯差異。然而，對于不同結(jié)構(gòu)型擋板的性能研究較少，且需要對性能優(yōu)異的擋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。因此，本文建立了在單直流道中分別添加4 種不同結(jié)構(gòu)型擋板（矩形、梯形、流線形、三角形），研究了PEMFC 輸出性能、陰極上氣體GDL 與催化層（CL）交換界面氧氣的分布特點(diǎn)、陰極流道內(nèi)水的分布特點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，從流道內(nèi)擋板數(shù)量對PEMFC 輸出性能的影響進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出一種性能更加優(yōu)異的擋板設(shè)計結(jié)構(gòu)。

1 PEMFC 模型建立

1. 1 幾何模型

本文建立了一個包含陰陽極流道、GDL、 CL及質(zhì)子交換膜（PEM）的三維PEMFC 直流道模型， 如圖1 所示。

基于此單直流道模型設(shè)計了4 種不同結(jié)構(gòu)型的幾何擋板，擋板結(jié)構(gòu)為矩形、三角形、梯形、流線形，各組的擋板呈對稱分布。PEMFC 幾何模型的參數(shù)見表1。同時，為了更好地提升相關(guān)燃料電池的性能，保證相關(guān)擋板幾何性質(zhì)相符，具體模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，d1、d2分別為擋板表面寬度，h1為擋板高度，R1、R2、R3分別為流線形擋板各部位的倒角半徑。PEMFC 仿真模擬的邊界條件見表2。

1. 2 模型假設(shè)及邊界條件

為了避免外界環(huán)境對仿真結(jié)果的影響，對模型進(jìn)行假設(shè)：① 忽略重力對PEMFC 的影響；② 工作環(huán)境溫度穩(wěn)定；③ 流道內(nèi)為不可壓縮的理想氣體且為低速層流流動；④ 所有多孔介質(zhì)均勻且各向同性；⑤ 氣體在模型內(nèi)為單向流動。

1. 3 控制方程

在PEMFC 電池仿真模擬過程中，采用COMSOL multiphysics 軟件建立幾何數(shù)學(xué)模型，涉及的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、氣體擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜能量守恒方程、催化層能量守恒方程和組分守恒方程分別為：

1. 4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為保證仿真結(jié)果的精度，對所建立擋板的平行流道進(jìn)行不同數(shù)量的網(wǎng)格劃分，并在常規(guī)的單元大小以及相同的邊界條件下對模型進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果見表3。由表3 可知：當(dāng)工作電壓為0.45 V時，方案4 與方案5 的電流密度相對誤差為0.562%，滿足仿真計算模型的要求。同時，為滿足精度要求，本次仿真采用374 912 個網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

1. 5 模型驗證

本文通過建立與文獻(xiàn)［14］中相同的單直流道模型，并采用相同的條件參數(shù)，對設(shè)定進(jìn)行模型驗證，其目的在于驗證PEMFC 模型建立的正確性和仿真方法的有效性。最終驗證對比如圖3 所示。由圖3 可知，在不同的電壓條件下，本文所仿真的極化曲線與文獻(xiàn)［14］數(shù)據(jù)較為吻合。通過以上分析，在一定程度上驗證了該數(shù)值模型的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2. 1 PEMFC 輸出性能

各幾何擋板流道結(jié)構(gòu)的PEMFC 電壓極化曲線與功率密度曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出：相比于無擋板模型，在流道中安裝擋板的模型性能明顯較高，顯著提高了電池的電流密度與功率密度；不同的幾何擋板形狀，其輸出性能不同。在低電流密度下，曲線重疊。當(dāng)電壓為0.1 V 時，無擋板PEMFC 的電流密度為1.237 3 A/cm2。當(dāng)流道內(nèi)添加流線形擋板、梯形擋板、三角形擋板、矩形擋板的PEMFC 的電流密度分別為1.525 6 A/cm2、1.494 1 A/cm2、1.391 3 A/cm2、1.320 3 A/cm2，流線形擋板的PEMFC 的電流密度比無擋板模型大23.3% 。此外，流線形擋板、梯形擋板、三角形擋板、矩形擋板、無擋板的PEMFC 的峰值功率密度分別為0.407 12 W/cm2、0.406 16 W/cm2、0.388 99 W/cm2、0.390 07 W/cm2、0.346 99 W/cm2，這5 種PEMFC 性能從高到低依次為流線形、梯形、三角形、矩形、無擋板。此結(jié)論反映出流線形擋板的優(yōu)異性，是由于流道中的流線形擋板對流通于流道中反應(yīng)氣體發(fā)生堵塞，使得更多的反應(yīng)氣體滲透到GDL 與CL 中，且流線形擋板的幾何體積較大，進(jìn)而促進(jìn)了反應(yīng)進(jìn)行。這也與擋板的體積越大，提供給CL 的反應(yīng)物越多［15］的結(jié)論相符。

2. 2 氧物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分布

當(dāng)工作電壓為0.45 V 時，不同結(jié)構(gòu)流道PEMFC 陰極上CL 與GDL 界面處的氧物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分布如圖5 所示。氧物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在入口處皆處于最大值，上游區(qū)的氧質(zhì)量幾乎分布相同，富氧區(qū)整體沿氣體流動的方向呈下降趨勢，這是由于氧氣逐漸消耗的緣故。添加擋板的結(jié)構(gòu)明顯比無擋板結(jié)構(gòu)氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)高，4 種不同擋板結(jié)構(gòu)的平均氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相近，但尤以流線形擋板為首，且氧氣分布更加均勻。這是由于流道內(nèi)擋板的存在阻礙了反應(yīng)氣體的傳遞，存在對流效應(yīng)，說明有更多的反應(yīng)氣體被擠壓到GDL 中，氣體傳遞效果更好。伴隨著燃料氣體消耗的增加，隨之產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，這也與圖4 結(jié)論相符合。而流線形擋板的氧氣分布相比于其他幾何擋板更加均勻，這是由于設(shè)計的流線形擋板末端背風(fēng)面有利于減少擋板后端的氣體渦流面積，背風(fēng)面的平順與其他擋板末結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差別，有助于氣體平緩流動；其相關(guān)氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)提高，有利于加強(qiáng)氧氣對GDL 的傳輸。

2. 3 水物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分布

當(dāng)工作電壓為0.45 V 時，不同結(jié)構(gòu)型擋板流道的PEMFC 陰極上水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分布如圖6 所示。

PEMFC 中水的存在往往會對電池的性能產(chǎn)生不利影響，水的聚集更是會導(dǎo)致反應(yīng)物不均勻，阻礙相應(yīng)的物質(zhì)傳遞，降低氣體反應(yīng)物的傳質(zhì)效率。但同時， 水的存在也可以降低電池溫度，防止電池過熱，提高PEMFC 的熱管理能力，從而確保其穩(wěn)定運(yùn)行。由圖6 可以看出：添加擋板結(jié)構(gòu)的流道內(nèi)平均水物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)明顯低于無擋板的平行流道，說明無擋板的平行流道保水特性好，而添加擋板的流道排水特性強(qiáng)。在4 種幾何擋板中，2 種擋板體積大的流線形與梯形擋板水分布更低，其水管理更優(yōu)，從而提高整體效率和性能。這是由于當(dāng)擋板體積較大時，物質(zhì)流動在擋板周圍的區(qū)域窄、流速快，進(jìn)而對水流的慣性作用強(qiáng)［16］。

綜上所述，幾何擋板可以為PEMFC 提供良好的水管理，加強(qiáng)PEMFC 的傳質(zhì)特性。

2. 4 擋板流道優(yōu)化設(shè)計

由上述研究結(jié)果的分析，可以得出在4 種不同結(jié)構(gòu)型的擋板中，流線形擋板流道的性能更加優(yōu)異，能夠更好地提高通道中的反應(yīng)氣濃度，同時也增強(qiáng)了反應(yīng)氣體的傳遞過程。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在數(shù)量方向?qū)醢逍阅苓M(jìn)行優(yōu)化，研究擋板數(shù)量對燃料電池性能的影響。不同數(shù)量流線形擋板流道結(jié)構(gòu)的PEMFC 電壓極化曲線與功率密度曲線如圖7 所示。由圖7 可以看出：PEMFC 性能隨擋板數(shù)量的增加而增強(qiáng)；將擋板數(shù)量分別設(shè)置為2、3、4、5，當(dāng)工作電壓為0.1 V 時，PEMFC 的電流密度分別為1.439 0 A/cm2、1.482 4 A/cm2、1.525 6 A/cm2、1.536 9 A/cm2；PEMFC 的峰值功率密度分別為0.394 9 W/cm2、0.402 2 W/cm2、0.407 1 W/cm2、0.408 4 W/cm2。相比于擋板數(shù)量為2 時，當(dāng)擋板數(shù)量為5 時，電流密度提高6.8%，峰值功率密度提高3.4%。同時，隨著擋板數(shù)量的增加，其增量速率呈降低狀態(tài)。綜上總結(jié)，采用擋板數(shù)量為5 的流線形擋板結(jié)構(gòu)，PEMFC 的輸出性能與傳質(zhì)特性較單直流道具有極大改善。PEMFC 峰值功率密度較無擋板時提高了17.7%，PEMFC 電流密度相對無擋板時提高了24.2%。

3 結(jié)論

本文通過對雙極板的合理設(shè)計，建立了4 種不同結(jié)構(gòu)型的擋板流道結(jié)構(gòu)，研究了擋板結(jié)構(gòu)對PEMFC 性能的影響，分析了流道結(jié)構(gòu)對電壓極化曲線、功率密度曲線、氧氣物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、水物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的分布。從擋板數(shù)量角度出發(fā)，對流線形擋板流道結(jié)構(gòu)PEMFC 進(jìn)行性能優(yōu)化。得出以下結(jié)論：

（1） 流道幾何擋板的存在能明顯提高電池的性能，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量傳遞和提高氧氣濃度。擋板形狀對PEMFC 的傳質(zhì)特性與電池性能有著重大影響。其中，流線形擋板流道的PEMFC的性能最好，電化學(xué)效率最高。特別是低壓工作狀態(tài)時，差距效果更為明顯。

（2） 擋板的設(shè)計可以改善電池的排水性能。無擋板的平行流道保水特性好，添加擋板的流道排水特性強(qiáng)，有助于優(yōu)化電池內(nèi)部的水管理，從而提高整體效率和性能。其中，因流線形擋板的特殊背風(fēng)面設(shè)計使得其排水性能最好，進(jìn)一步證明了擋板的特殊優(yōu)異性。

（3） 隨著流道結(jié)構(gòu)內(nèi)擋板數(shù)量的增加，PEMFC的輸出性能也隨之提升。流道內(nèi)添加5 個流線形擋板時，PEMFC 峰值功率密度為0.408 4 W/cm2，較無擋板時提高了17.7%。當(dāng)工作電壓為0.1 V 時，PEMFC 電流密度為1.536 9 A/cm2，相對無擋板時提高了24.2%。

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