,

(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)

0 引 言

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。

1 雙極板形狀

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。

2 理論計(jì)算

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。

3 流場(chǎng)分析

3.1 仿真設(shè)置

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。

3.2 傳質(zhì)面積

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。

3.3 氣體分布均勻性

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。

3.4 阻力分析

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。

4 總 結(jié)

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。

參考文獻(xiàn);

[1] Watkins D S, Dircks K W, Epp D G.Novel Fuel Cell fluid Flow Field Plate: US, US4988583 A[P].1991.

[2] Li X, Sabir I.Review of Bipolar Plates in PEM Fuel Cells: Flow-field designs[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2005, 30(4):359-371.

[3] Pellegri A, Spaziante P M.Bipolar Separator for Electrochemical Cells and Method of Preparation Thereof: US, US4197178[P].1980.

[4] Marvin R H, Carlstrom C M.Fuel Cell Fluid Flow Plate for Promoting Fluid Service: US, US6500580[P].2002.

[5] Kaskimies J.Gas flow on the Cathode of a Solid Polymer Fuel Cell[M].Finland: Helsinki University of Technology, 2000.

[6] Reiser C A, Sawyer R D.Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell Stack Water Management System: US, US4769297[P].1988.

[7] Kazim A, Liu H T, Forges P.Modelling of Performance of PEM Fuel Cells With Conventional and Interdigitated Flow Fields[J].Journal of Applied Electrochemistry, 1999, 29(12):1409-1416.

[8] K.Tüber, A.Oedegaard, M.Hermann, et al.Investigation of Fractal flow-fields in Portable Proton Exchange Membrane and Direct Methanol Fuel Cells[J].Journal of Power Sources, 2004, 131(1-2):175-181.

[9] 馬利,李剛,文東輝,魯聰達(dá).微型燃料電池雙極板的研究現(xiàn)狀[J].電源技術(shù),2014,07:1380-1383.

[10] Dircks K W, Epp D G, Watkins D S.Fuel Cell Fluid Flow Field Plate: US, US 5108849 A[P].1992.

[11] 鄭偉安,許思傳,倪淮生.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)空氣加濕器實(shí)驗(yàn)研究[J].上海汽車,2008,12:6-9.