杜益開(kāi) 詹志剛 宛朝輝 周 芬 張 宇 楊 華 潘 牧*

(武漢理工大學(xué)燃料電池湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)材料學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

燃料電池是一項(xiàng)高效的綠色發(fā)電技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括交通運(yùn)輸、固定發(fā)電站等.其中在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，燃料電池汽車被視為新能源汽車的終極綠色解決方案.日本本田汽車公司于2015年推出了第三代燃料電池汽車clarity，本田公司為了提高clarity的燃料電池堆功率密度，不僅改變了氫氣和空氣的流動(dòng)方向，使陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水在燃料電池堆中循環(huán)，同時(shí)還改變了電堆的結(jié)構(gòu)，將冷卻流道和氣體流道由傳統(tǒng)的直線型改為S形[1]，使一個(gè)冷卻流道能同時(shí)冷卻兩片膜電極，從而將其電堆的功率密度從1.9 kW/L提升到3.1 kW/L.但是采用S形流道不僅會(huì)增加雙極板的加工難度，還會(huì)增加反應(yīng)氣體和冷卻流體在流道的流阻，進(jìn)而增大了供給反應(yīng)氣體與冷卻介質(zhì)系統(tǒng)的壓力.針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究在不同的冷卻介質(zhì)流量下，用傳統(tǒng)直線形流道冷道同時(shí)冷卻兩片膜電極這種電堆結(jié)構(gòu)的可行性.

現(xiàn)已有許多關(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理方面的研究，但是大部分的研究?jī)H限于單電池模型，極少部分是關(guān)于燃料電池堆熱管理方面的研究.在這少部分燃料電池?zé)峁芾淼难芯恐?，大多?shù)致力于冷卻流道的結(jié)構(gòu)、冷卻策略對(duì)電堆的性能的影響，并沒(méi)有涉及到單冷卻流道冷卻雙模電極這種新型的電堆結(jié)構(gòu).Wilkinson等[2-3]通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，考慮反應(yīng)氣體與冷卻介質(zhì)流道的合理性，選擇一種橫截面積不等的冷卻流道，能使質(zhì)子交換膜上的溫度分布更為均勻，Lee等[4]根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)了一種變截面的冷卻流道.Sui等[5]模擬了S形流道對(duì)冷卻介質(zhì)的換熱效率的影響，發(fā)現(xiàn)由于迪恩漩渦的產(chǎn)生，使蛇形流道中混合冷卻介質(zhì)的換熱效率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)直線型流道中的換熱效率.Park等[6]建立了非等溫的燃料電池堆模型來(lái)研究冷卻介質(zhì)的流量和溫度的分布對(duì)質(zhì)子交換膜電池堆輸出電壓的影響.研究結(jié)果表明，當(dāng)冷流速較小時(shí)，燃料電池堆內(nèi)部的溫度是影響電堆輸出電壓的主要因素.Jin等[7]設(shè)計(jì)了一種能提高反應(yīng)氣體在脊背下強(qiáng)制對(duì)流的混合型流場(chǎng)，并通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)流道相比，這種混合型流道的冷卻效果較好.Cao等[8]建立了三維、非等溫的燃料電池模型分析了氣體擴(kuò)散層和流場(chǎng)板肋板之間的接觸電阻對(duì)電池溫度和性能的影響.計(jì)算結(jié)果表，有接觸電阻計(jì)算工況下擴(kuò)散層內(nèi)濕度變化平緩，而無(wú)接觸電阻擴(kuò)散層內(nèi)溫度變化較快.

因而利用fluent研究用單冷卻流道冷卻雙膜電極這種新型的堆結(jié)構(gòu)，在不同冷卻介質(zhì)流速下，陰極、陽(yáng)極加濕度分別為0%，70%，工作電流密度為1.5 A/cm2的輸出電壓值，對(duì)實(shí)際的燃料電池堆的設(shè)計(jì)有很重要的參考意義.

1 模型的描述

1.1 幾何模型

在傳統(tǒng)的電堆結(jié)構(gòu)中，一條冷卻流道僅冷卻一片膜電極，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1a).外圍尺寸為300 mm×1.1 mm×2.87 mm,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜的活性面積為330 mm2,氣體與冷卻介質(zhì)流道寬度與深度為0.5 mm×0.4 mm,質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層、集流板的厚度分別為0.015，0.01，0.2，0.1 mm.在驗(yàn)證網(wǎng)格靈敏性驗(yàn)證后，該模型的網(wǎng)格總數(shù)為1 069 200.

在新型電堆結(jié)構(gòu)中，一條冷卻流道同時(shí)冷卻兩片膜電極，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1b).在膜的活性面積、氣體和冷卻水流道寬度與深度等幾何尺寸與傳統(tǒng)電堆結(jié)構(gòu)相同的情況下，該模型的外圍尺寸為300 mm×1.1 mm×2.37 mm.在網(wǎng)格尺寸與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的情況下，該模型的網(wǎng)格總數(shù)為937 200.

圖1 傳統(tǒng)電堆和新型電堆結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 控制方程

燃料電池是一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，通過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能.描述這一復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程一般主要包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、組分守恒、能量守恒、電荷守恒等控制方程.

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

-ερ+·(εμ

(2)

式中：ρ為壓力；Su為動(dòng)量源相.

組分守恒方程：

(3)

式中：ck為組份濃度；Deff為組分有效擴(kuò)散系數(shù)；Sk為組分源相.

能量守恒方程：

(4)

式中：cp為定比壓熱；keff為有效熱導(dǎo)率；T為溫度；SQ為能量源相.

電荷守恒方程：

(σeΦe)+Se=0

(5)

(6)

式中：σe為電子的電導(dǎo)率；σm為質(zhì)子電導(dǎo)率；Φe為固相電勢(shì)；Φm為膜相電勢(shì).

Bulter-volmer方程：

(7)

(8)

式中：ζ為催化劑的比表面積；R為理想氣體常數(shù)；F法拉第常數(shù)；η為因反應(yīng)物的濃度和活化壁壘而產(chǎn)生的極化損失；iref為標(biāo)準(zhǔn)條件下參考交換電流密度；CH2和CO2分別為氫氣和氧氣的濃度；CH2,ref和CO2,ref分別為標(biāo)準(zhǔn)條件下催化層處氫氣和氧氣的參考的濃度；γa和γc為陽(yáng)極和陰極的濃度指數(shù)；α為電荷傳遞傳遞系數(shù)，下標(biāo)字母分a，c別表示陽(yáng)極和陰極.

1.3 操作條件

不同冷卻介質(zhì)流速下，陰極反應(yīng)氣體的加濕度為0%，陽(yáng)極反應(yīng)氣體的加濕度為70%，電流密度為1.5 A/cm2電池的輸出電壓值.陰陽(yáng)極反應(yīng)氣體的過(guò)量系數(shù)均為2.0，氣體的出口背壓為150 kPa,反應(yīng)氣體的溫度與電池的工作溫度均為80 ℃.主要電化學(xué)參數(shù)及反應(yīng)氣體物性見(jiàn)表1[9-10]，電池主要部件材料物性見(jiàn)表2[11-12].

表1 主要物性參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2 結(jié)果與討論

圖2為在相同條件下實(shí)際測(cè)得的極化曲線與模擬極化曲線.實(shí)際極化曲線是在單電池的工作溫度為80 ℃、活性面積為25 cm2、陰陽(yáng)極加濕度為70%/70%、過(guò)量系數(shù)為2.0/2.0、背壓為150 kPa/150 kPa條件下測(cè)得.由圖2可知，模擬值與實(shí)際值基本吻合，驗(yàn)證了該模型的可靠性.

圖2 實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果

圖3為在不同流量下，兩種電堆結(jié)構(gòu)的輸出電壓值.兩種電堆結(jié)構(gòu)的輸出電壓值均隨著冷卻介質(zhì)的流量增加而增加，當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量小于208.27 mm3/s時(shí)，流量對(duì)兩種電堆結(jié)構(gòu)的輸出電壓的影響很大；但是，當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量達(dá)到208.27 mm3/s,流速的增加對(duì)輸出電壓影響很小.在相同的冷卻介質(zhì)流量下，新型結(jié)構(gòu)的輸出電壓比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸出電壓僅降低40 mv，但是因新型電堆結(jié)構(gòu)的體積縮小了17.4%，從而使功率密度較傳統(tǒng)電堆結(jié)構(gòu)提高了17.2%.冷卻介質(zhì)流量為69.424 mm3/s，新型電堆結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電堆結(jié)構(gòu)的輸出電壓分別為1.22,1.17 V；冷卻介質(zhì)流量為520.88 mm3/s，新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出電壓分別為1.26,1.22 V;冷卻介質(zhì)流量為1 041.36 mm3/s，新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)輸出電壓分別為1.27,1.23 V.

圖3 不同流量下，電堆的輸出電壓值

圖4為不同冷卻介質(zhì)流量下，兩種電堆結(jié)構(gòu)中冷卻介質(zhì)流道中進(jìn)出口壓差.由圖4可知，冷卻流道進(jìn)出口的壓差與冷卻介質(zhì)的流量幾乎成正比關(guān)系，由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中冷卻流道的橫截面積遠(yuǎn)大于新型結(jié)構(gòu)中冷卻流道的橫截面積，因而在相同的冷卻介質(zhì)流量下，型結(jié)構(gòu)的冷卻介質(zhì)進(jìn)出口壓差遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)出口壓差.例如，當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量為520.88 mm3/s時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中冷卻流道進(jìn)出口壓差為15.394 9 kPa,新型結(jié)構(gòu)中的壓差為31.854 2 kPa.在傳統(tǒng)流道中，冷卻介質(zhì)進(jìn)出口壓差最大一般為30 kPa左右，由圖4可知，新型流道冷卻介質(zhì)的流量一般要小于520.88 mm3/s.

圖4 不同流量下，兩種電堆結(jié)構(gòu)中冷去流道進(jìn)出口壓差

圖5為不同流量下，不同電堆結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜中的最高溫度、平均溫度、最低溫度隨冷卻介質(zhì)流量的變化曲線.由于新型結(jié)構(gòu)中的冷卻流道的數(shù)量小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使新型結(jié)構(gòu)中最低、最高溫度均大于傳統(tǒng)電結(jié)構(gòu)的溫度.在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，質(zhì)子交換膜的溫度幾乎沒(méi)有差別，而在新型結(jié)構(gòu)中，由于冷卻水僅作用于mem1的陽(yáng)極極側(cè)與mem2的陰極側(cè)，而在燃料電池中陰極因極化產(chǎn)熱比陽(yáng)極大，以致新型結(jié)構(gòu)中 mem1的溫度略高于mem2的溫度.當(dāng)流量為520.88 mm3/s時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜中最高、平均、最低溫度分別為363.09，355.15，359.56 K；新型結(jié)構(gòu)中mem1的最高、平均、最低溫度分別為369.68，365.18，358.39 K，mem2最高、平均、最低溫度分別為368.32，364.46，357.83 K.

圖5 不同電堆結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜中的最高溫度、平均溫度、最低溫度隨冷卻介質(zhì)流量的變化曲線

冷卻介質(zhì)的流量為520.68 mm3/s,不同電堆結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜中間平面的溫度分布見(jiàn)圖6，由于冷卻介質(zhì)的流向和位置的影響，使兩種結(jié)構(gòu)中膜的高溫區(qū)位于質(zhì)子交換膜內(nèi)靠近陰極進(jìn)口處，低溫區(qū)位于質(zhì)子交換膜內(nèi)靠近冷卻介質(zhì)的進(jìn)口處.因而冷卻介質(zhì)出口溫度對(duì)膜內(nèi)的最高溫度影響較大，隨冷卻介質(zhì)的出口溫度升高而升高，但當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量達(dá)520.68 mm3/s，冷卻介質(zhì)的流量對(duì)質(zhì)子交換膜中的最高溫度影響較?。焕鋮s介質(zhì)進(jìn)口溫度對(duì)質(zhì)子交換膜內(nèi)的最低溫度影響較大，最低溫度幾乎不隨冷卻介質(zhì)的流量變化而變化.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中膜的最低溫度在355.5 K左右，新型結(jié)構(gòu)中mem1，mem2最低溫度維持在358 K左右.

圖6 不同電堆結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜中間平面的溫度分布

圖7 a)為不同冷卻介質(zhì)流量下，不同電堆結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜中平均含水量的變化曲線.質(zhì)子交換膜中的含水量隨膜中的溫度升高而降低，兩種電堆結(jié)構(gòu)中膜內(nèi)的含水量隨冷卻介質(zhì)的流量的增加而增加，膜的含水量在流量為0～520.68 mm3/s范圍內(nèi)的增量最大，之后隨著冷卻液體的流速增加、膜內(nèi)的含水量的增加的幅度逐漸減小.由于新型結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜的溫度略高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜的溫度，進(jìn)而使新型結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜的含水量略傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜的含水量.在陽(yáng)極加濕度70%、陰極不加濕條件下，兩種質(zhì)子交換膜中的含水量均偏小，當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量為520.68 mm3/s，傳統(tǒng)中質(zhì)子交換膜的含量在3.34左右，新型結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜中水的含量在2.84左右.

圖7b)為不同冷卻介質(zhì)流量下，質(zhì)子交換膜的面積比電阻.由于質(zhì)子交換膜的面積比電阻隨膜中的含水量增加而減少，因而質(zhì)子交換膜的面積電阻隨冷卻介質(zhì)的流速增加而減少，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中膜的面積比電阻的變化范圍為53～65 mΩ·cm2，新型結(jié)構(gòu)中膜的面積比電阻的變化范圍為63.3～75.5 mΩ·cm2.由于新型結(jié)構(gòu)中膜的含水量略低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中膜的含水量，因而在相同的流量下，新型結(jié)構(gòu)中膜的面積比電阻比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中膜的面積比電阻高10 mΩ·cm2,因兩片膜電極的電阻增加而引起的電壓降為30 mV，占整個(gè)電堆單元的輸出電壓損失的75%.

圖7 質(zhì)子交換膜中平均含水量隨冷卻介質(zhì)流量和膜的面積比電阻隨冷卻介質(zhì)流量的變化曲線

冷卻介質(zhì)流量為520.68 mm3/s時(shí),不同電堆結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜中間平面的含水量見(jiàn)圖8.在催化層與氣體流道中，水汽沿氣體流道從進(jìn)口到出口方向逐漸積累，使反應(yīng)氣體的加濕度和催化層中的水相飽和度逐漸升高，進(jìn)而使質(zhì)子交換膜上靠近陰極出口處的磺酸根的含水量大于靠近陰極進(jìn)口的含水量.在冷卻介質(zhì)的影響下，氣體擴(kuò)散層的右側(cè)溫度低于左側(cè)溫度，因而使右側(cè)陽(yáng)極擴(kuò)散層中液態(tài)水的含量大于其左側(cè)的液態(tài)水的含量，從而使靠近冷卻介質(zhì)側(cè)膜中磺酸根基團(tuán)的含水量大于靠近反應(yīng)氣體側(cè)的含水量.由于陰極反應(yīng)氣體的流向與冷卻流道的布置，使質(zhì)子交換膜中含水量較高的區(qū)域位于膜內(nèi)靠近冷卻介質(zhì)的進(jìn)口處；含水量較低的區(qū)域位于膜內(nèi)靠近陰極反應(yīng)氣體的進(jìn)口出.當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量為520.68 mm3/s,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜中最高、最低含水量分別為7.06，1.20；新型結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜中最高、最低含水量分別為5.35，1.17.

圖8 不同電堆結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜中間平面含水量

3 結(jié) 論

1) 在陽(yáng)極70%、陰極不加濕的條件下，雖然新型結(jié)構(gòu)的輸出電壓略低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸出電壓，但是新型結(jié)構(gòu)電堆的體積較傳統(tǒng)電堆的體積縮小了17.4%，功率密度提高了17.2%.

2) 在新型結(jié)構(gòu)的輸出電壓略低于傳統(tǒng)電堆結(jié)構(gòu)的輸出電壓，主要原因是新型結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜的面積比電阻大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中質(zhì)子交換膜的面積比電阻.例如，當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量為520.68 mm3/s,因兩片膜的電阻增加而引起的壓降為30 mV,占全部電壓損失的75%.

3) 在相同的冷卻介質(zhì)流量下，由于新型結(jié)構(gòu)中冷卻介質(zhì)流道數(shù)量小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中冷卻介質(zhì)流道數(shù)量，使新型結(jié)構(gòu)中冷卻介質(zhì)流道進(jìn)出口壓差與膜中的溫度均高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；當(dāng)冷卻介質(zhì)的流量達(dá)208.27 mm3/s，新型電堆結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電堆結(jié)構(gòu)的輸出電壓均趨于穩(wěn)定，幾乎不隨冷卻介質(zhì)流量增加而增加.