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(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心,上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有室溫快速啟動(dòng)、效率高、無(wú)污染、噪音小等優(yōu)點(diǎn),已在航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域得到廣泛使用,發(fā)展前景廣闊。PEMFC由多個(gè)部件組成,其中膜電極和雙極板是最主要的部件。雙極板上布有形狀各異的流道,其功能是用來(lái)引導(dǎo)反應(yīng)氣體的流動(dòng)方向,以確保反應(yīng)氣體可以均勻分配到電極各處。如果反應(yīng)氣體在電極各處分布不均勻,將會(huì)引起電流密度不均勻,從而導(dǎo)致燃料電池電池局部過(guò)熱,電池性能下降,電池使用壽命縮短。同時(shí)如果流道阻力過(guò)大,則會(huì)增大反應(yīng)氣體質(zhì)量傳輸過(guò)程中所需的外加功耗。Watkins[1]、Li和Sabir等人[2]的研究結(jié)果表明,合理的流道設(shè)計(jì)能夠使燃料電池的實(shí)際性能提高50%左右。
因此,分析質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流道設(shè)計(jì)對(duì)氣體分布均勻性及流道阻力的影響,對(duì)提高燃料電池性能具有重要意義。
PEMFC的雙極板通常是由具有良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性的材料制成。
常見(jiàn)的雙極板流道設(shè)計(jì)主要包括平行流道[3]、蛇形流道[4]、螺旋流道[5]、網(wǎng)格流道[6]、交指型流道[7]及分形流道[8],如圖1所示。由于分形流道形狀不規(guī)則,制作標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,而交指型流道因其獨(dú)特的工作方式,不便于與其他形狀雙極板一起做流場(chǎng)分析對(duì)比,故本文只對(duì)比分析前四種流道設(shè)計(jì)的流場(chǎng)。
不同流道設(shè)計(jì)的雙極板往往具有不同的特點(diǎn)[9],表1為不同流道設(shè)計(jì)的雙極板優(yōu)缺點(diǎn)比較。
表1 不同流道設(shè)計(jì)的雙極板優(yōu)缺點(diǎn)比較
流道尺寸對(duì)流道內(nèi)氣體傳輸性能有重要影響,Watkins等學(xué)者[10]通過(guò)研究蛇形流道尺寸的最優(yōu)化問(wèn)題提出流道的最佳寬度、脊的最佳寬度和流道最佳深度分別在在1.14~1.4 mm、0.89~1.4 mm和l.02~2.04 mm內(nèi)。為了便于對(duì)比分析,本文以一個(gè)電流密度為500mA·cm-2、截面積為100mm*100mm的單電池為研究對(duì)象,其雙極板截面尺寸為100mm*100mm、流道寬度1.2mm、流道深度2mm、脊寬1mm、采用單一流道。
氫-氧燃料電池化學(xué)反應(yīng)式:
燃料電池功率:
(1)
式中:
P為單電池或電池堆設(shè)計(jì)輸出功率,W;U0為單電池設(shè)計(jì)輸出電壓,V;e為電子電量,1.6*10-19C;t為時(shí)間,s;n1為單電池反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù);n2為電堆層數(shù);
圖1 常見(jiàn)的流道設(shè)計(jì)
圖2 平行流道速度分布圖
燃料電池單電池的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)電勢(shì)為1.23V,但是實(shí)際上輸出電壓為0.95V左右,計(jì)算得本文所研究的單電池功率為:
P=49.5W
空氣中氧氣含量約為21%,計(jì)算所需空氣流量為:
q=0.019775g·s-1=0.015294L·s-1
計(jì)算得雙極板流道入口速度為:
v=6.37m·s-1
已知對(duì)于非圓管,雷諾數(shù)計(jì)算公式為:
(2)
式中:γ為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);μ為動(dòng)力粘度;ρ為流體密度;R為水力半徑。
質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度一般為60℃—80℃[11],假定反應(yīng)氣體溫度為70℃。計(jì)算得到:Re=477,即流道內(nèi)流動(dòng)為層流。
將模型網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent后,進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)定:
表2 仿真設(shè)定
設(shè)置監(jiān)測(cè)面,監(jiān)測(cè)進(jìn)氣口、出氣口壓力,計(jì)算兩者壓降。
燃料電池雙極板采用不同流道(流道規(guī)格相同)時(shí),雙極板與膜電極接觸的面積,即為燃料電池工作時(shí)的傳質(zhì)面積。質(zhì)子交換膜燃料電池因吉布斯自由能的限制,單電池存在理論最高電壓。吉布斯自由能與電壓之間的關(guān)系為:
(3)
在電壓一定的情況下,為了提高功率就要提高電流,燃料電池中電流計(jì)算公式為:
I=j·A=nFvA
(4)
式中:j為電流密度,A·cm-2;A為傳質(zhì)面積,cm2;v為單位面積反應(yīng)速率。
在滿足燃料電池系統(tǒng)水熱管理等各種工作條件要求下,傳質(zhì)面積越大越有利于電流的提高。不同流道設(shè)計(jì)的雙極板傳質(zhì)面積如表3所示。
表3 不同流道設(shè)計(jì)的雙極板傳質(zhì)面積
由表可知,網(wǎng)格流道的傳質(zhì)面積最大,平行流道、蛇形流道兩者傳質(zhì)面積相差不大,螺旋流道傳質(zhì)面積最小。理論上,在反應(yīng)氣體流量滿足反應(yīng)需求的前提下,雙極板的傳質(zhì)面積越大,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)膜電極的帶電粒子越多,產(chǎn)生的電流越大,工作性能越好。但在實(shí)際使用中,還需要綜合考慮流道阻力、流道排水、電極保濕等因素對(duì)燃料電池性能的影響。
氣體分布不均導(dǎo)致反應(yīng)氣體濃度不均,根據(jù)Butler-Volmer方程:
(5)
圖3平行流道中水平流道的流量分布
反應(yīng)氣體的濃度影響反應(yīng)速率,不同濃度會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的電流大小不同,進(jìn)而會(huì)影響燃料電池溫度分布和燃料電池性能。
平行流道速度分布如圖2所示。為了便于分析,將平行流道中的水平流道沿豎直方向從上而下依次編號(hào),計(jì)算每個(gè)流道的流量如圖3所示??梢园l(fā)現(xiàn),在平行流道中,水平流道的流量在豎直方向上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。位于中部的水平流道流量很小,出現(xiàn)氣體供應(yīng)不足的現(xiàn)象。在末端,水平流道流動(dòng)速度激增。這是因?yàn)闅怏w入口速度方向?yàn)樨Q直方向,在水平方向上無(wú)速度分量,但是由于流道阻力及氣體擴(kuò)散現(xiàn)象,氣體會(huì)沿水平方向蔓延,當(dāng)氣體流到豎直流道末端時(shí),此處的水平流道成為主要出口,故速度上升。平行流道氣體主要分布在四周流道,在中心流道處速度較小,氣體供應(yīng)量少。整體來(lái)看,氣體分布不均,中心區(qū)域氣體供應(yīng)不足。
圖4 網(wǎng)格流道速度分布圖
網(wǎng)格流道是在平行流道的基礎(chǔ)上增加了豎直流道,這使得平行流道中各水平流道可以相互貫通,有利于氣體分布。從上圖可以看出,相比于平行流道,網(wǎng)格流道的氣體分布均勻性得到提高。
圖5 蛇形流道速度分布圖
蛇形流道速度分布如上圖所示,分布較為均勻,在拐角處速度略有下降,其余部分氣體流速基本一致。但隨著流道長(zhǎng)度的增加,反應(yīng)氣體不斷消耗,在氣道末端可能出現(xiàn)氣體供應(yīng)不足的現(xiàn)象。
圖6 螺旋流道速度分布圖
圖7 平行流道壓力云圖
圖8 平行流道中水平流道的壓力及壓降分布
將螺旋流道由入口流向中心區(qū)域的流道稱為進(jìn)氣道,由中心區(qū)域流到出口的流道稱為出氣道,速度分布如圖6所示。螺旋流道和蛇行流道速度分布類似,仍可能存在末端氣體供應(yīng)不足的現(xiàn)象,但是由于螺旋氣道的進(jìn)氣道與出氣道交替排列分布,這種布置方式在一定程度上減弱了流道長(zhǎng)度對(duì)氣體分布均勻性的影響。可以發(fā)現(xiàn),螺旋流道的氣體均勻性優(yōu)于蛇形流道。
燃料電池工作時(shí),需要保證反應(yīng)氣體具有一定壓力,進(jìn)而可以提高反應(yīng)速率。不同流道設(shè)計(jì)的雙極板流動(dòng)阻力不同,過(guò)大的流道壓降會(huì)加大空壓機(jī)的功率,造成外加功耗變大,燃料電池系統(tǒng)性能下降。
根據(jù)流體力學(xué),可知流道流動(dòng)阻力包括沿程壓力損失與局部壓力損失兩部分。沿程壓力損失計(jì)算公式為:
式中:l為管長(zhǎng),單位m;d為當(dāng)量直徑,0.0015 m;v為斷面平均流速,單位m·s-1;ρ為流體密度,1.029kg·m-3;λ為沿程阻力系數(shù)。
局部壓力損失為:
(6)
式中:ξ為局部阻力系數(shù)。
圖9 網(wǎng)格流道壓力云圖
圖10 蛇形流道壓力云圖
流道進(jìn)出口的壓降可以表征流動(dòng)阻力的大小,各流道壓降如表4所示。
表4 不同流道設(shè)計(jì)的雙極板壓降
圖11 螺旋流道壓力云圖
從圖7、圖8可以看出,平行流道中水平流道的壓力沿氣體的前進(jìn)方向不斷下降,位于中間區(qū)域的水平流道壓降基本不變,位于豎直流道末端的水平流道由于大量氣體涌入,流速增大,沿程阻力較其它位置的水平流道變大,導(dǎo)致壓降突增。
通過(guò)圖9與圖7的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),同一入口條件下,平行流道的壓降大于網(wǎng)格流道。這主要是因?yàn)榫W(wǎng)格流道的傳質(zhì)面積大,流體更加分散,流動(dòng)速度低所致。
螺旋流道和蛇形流道的入口氣體流動(dòng)速度大小一樣,由傳質(zhì)面積可知螺旋流道長(zhǎng)度小于蛇形流道,即螺旋流道的沿程阻力小于蛇形流道。但是對(duì)比圖10、圖11發(fā)現(xiàn),螺旋流道的總壓降大于蛇形流道,這說(shuō)明螺旋流道的局部阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蛇形流道。
總體來(lái)看,蛇形流道與螺旋流道的壓降明顯高于其它形狀的流道。這是由于壓力損失與流體流動(dòng)速度的平方呈正相關(guān)性。在本文中,蛇形流道與螺旋流道只存在單一流道,流動(dòng)速度大,故壓力損失大。但在實(shí)際應(yīng)用中,該兩種流道多采用多流道的形式,用以降低流動(dòng)速度,從而降低壓降。
從流道傳質(zhì)面積來(lái)看,網(wǎng)格流道明顯優(yōu)于其他流道,但是這也大大提高了網(wǎng)格流道的加工復(fù)雜性。從氣體分布均勻度來(lái)看,網(wǎng)格流道優(yōu)于平行流道,螺旋流道優(yōu)于蛇形流道。從流道阻力來(lái)看,網(wǎng)格流道優(yōu)于平行流道,蛇形流道優(yōu)于螺旋流道。
綜合來(lái)看,在不考慮加工復(fù)雜度的前提下,單流道雙極板優(yōu)先采用網(wǎng)格流道,多流道雙極板優(yōu)先采用螺旋流道,可以提高燃料電池性能。
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