韓建 崔龍 蘇中輝 曲英雪 李利

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：燃料電池 流道尺寸 電流密度 壓降

1 前言

燃料電池是把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置[1]，作為可持續(xù)能源，能夠滿足日益增長的汽車工業(yè)對(duì)能源的需求[2-3]。燃料電池電堆的關(guān)鍵部件包括膜電極組件、雙極板、集流體、端板等，而雙極板占據(jù)電堆重量的60%，成本的30%。大量的研究[4]表明，雙極板對(duì)燃料電池的性能有著重要的影響。雙極板能夠傳導(dǎo)電子，分配反應(yīng)所需氣體，帶走反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水和熱量。通過實(shí)驗(yàn)的方法去優(yōu)化雙極板流場的幾何結(jié)構(gòu)是非常困難的，而通過計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真優(yōu)化則是一種快捷高效的方法。

2 燃料電池雙極板流道優(yōu)化意義

燃料電池的性能在很大程度上取決于適當(dāng)?shù)牧鲌鲈O(shè)計(jì)。而有效的流場設(shè)計(jì)依賴于合適的流道尺寸結(jié)構(gòu)。不當(dāng)?shù)牧鞯缼缀纬叽?，?huì)導(dǎo)致反應(yīng)物分配不均，水管理能力不佳，過高的壓降，進(jìn)而導(dǎo)致燃料電池性能失衡[5]，因此，雙極板產(chǎn)品定型的過程中，流道需要進(jìn)行優(yōu)化。

在流場的幾何尺寸設(shè)計(jì)中，流道的寬度、深度以及脊的寬度對(duì)燃料電池的性能起著重要的作用。國內(nèi)外研究人員在燃料電池的流場尺寸研究方面做了大量的研究工作。T.Berning等[6]采用三維全電池模型分析了電池內(nèi)部的傳遞現(xiàn)象和操作條件影響，假設(shè)接觸電阻分別為25 mΩ·cm2和50 mΩ·cm2，分別比較了流道寬度和脊寬度分別為0.8 mm/1.2 mm、1.0 mm/1.0 mm、1.2 mm/0.8 mm三者的電池性能，得出前者電池性能稍佳的結(jié)論。D.S.Watkins等[7]優(yōu)化了單通道蛇型流場的尺寸結(jié)構(gòu)，得出流道寬度為1.14～1.40 mm，脊寬度為0.89～1.40 mm，流道深度為1.02～2.04 mm時(shí)電池性能較好的結(jié)論。G.Young等[8]研究了脊和流道寬度對(duì)電池性能的影響，結(jié)果表明，在0.5～3.0 mm范圍內(nèi)，脊寬度越窄電池性能越好。A.Kumar等[9]對(duì)電池陽極單通道蛇形流場尺寸作了優(yōu)化，得出流道寬度為1.5 mm，脊寬度為0.5 mm以及深度為1.5 mm時(shí)陽極的氫氣利用率較高，即相同操作條件下電池性能較好。巴拉德動(dòng)力公司為了能使電池在高電流密度下達(dá)到性能穩(wěn)定，電堆所采用直流道流場的直流道開口寬度要小于0.75 mm，每個(gè)流道最優(yōu)的開口寬度大約在0.5 mm左右，流道的半圓形橫截面半徑一般為0.25 mm，流道的深度大約是流道寬度的一半時(shí)最佳[10]。W.Ying等[11]建立了氫-空質(zhì)子交換膜燃料電池的三維模型，采用商業(yè)軟件STAR-CD進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，陰極流道寬度為3 mm時(shí)電池性能最好。

在本文中，基于多物理場耦合計(jì)算軟件Comsol multi-physics，建立三維等溫單相流模型，對(duì)流道的寬度、脊寬度、流道深度等大量參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，進(jìn)而篩選出最優(yōu)的流道尺寸參數(shù)，為燃料電池雙極板流場設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 數(shù)值仿真

3.1 幾何模型

首先對(duì)不同流道寬度和脊寬度的質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同流道寬度和脊寬度對(duì)電池性能的影響，找出相對(duì)最優(yōu)流道寬度和脊寬度，所有的計(jì)算案例中流道的深度固定，均為1 mm，且每個(gè)案例中陽極和陰極具有相同的流道寬度和脊寬度；然后在此基礎(chǔ)上保持流道寬度和脊寬度不變，改變流道深度，研究不同流道深度的情況下電池的性能，分析得出流道的最佳深度。圖1為劃分完網(wǎng)格后的幾何模型，包含14 448個(gè)六面體，5 870個(gè)四邊形，848個(gè)邊單元。對(duì)于不同流道寬度、脊寬度和流道深度，網(wǎng)格會(huì)隨著幾何形狀的變化而自動(dòng)變化。

3.2 架構(gòu)模型

燃料電池工作中存在著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)及電化學(xué)反應(yīng)過程，主要數(shù)學(xué)模型為電化學(xué)模型和流體動(dòng)力學(xué)模型[12]，包括有流體的流動(dòng)、多孔介質(zhì)中的氣體擴(kuò)散、水的相變、水在質(zhì)子交換膜中的傳遞以及催化層中的電化學(xué)反應(yīng)等。

圖1 幾何模型

3.3 模型假設(shè)

（1）燃料電池在穩(wěn)定條件下運(yùn)行，并且重力的影響忽略不計(jì)；

（2）反應(yīng)氣為密度不變的理想氣體、無相變且不能滲透質(zhì)子交換膜；

（3）液態(tài)水為細(xì)小的霧狀，當(dāng)成氣體來處理，反應(yīng)生成水的體積忽略不計(jì)；

（4）根據(jù)雷諾數(shù)，流道內(nèi)的氣體流動(dòng)為層流；

（5）質(zhì)子交換膜設(shè)為電絕緣狀態(tài)。

3.4 模型參數(shù)

數(shù)值仿真過程中所涉及的參數(shù)如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)

4 仿真結(jié)果與討論

4.1 0.6 V時(shí)流道寬度和脊寬度對(duì)電池性能影響

圖2和圖3分別為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下，陽極與陰極的壓降情況，從測試結(jié)果可以看出當(dāng)流道寬度為0.3 mm時(shí)，陽極壓降隨著脊寬度的增加而呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，陰極壓降基本無變化。當(dāng)流道寬度為0.5～1.5 mm時(shí)，陽極壓降隨著脊寬度的變化基本無變化，而陰極隨著脊寬度的增大，陰極壓降略微有所升高。

圖2 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陽極壓降

圖3 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陰極壓降

圖4 和圖5為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定脊寬度在不同流道深度的條件下，單電池陽極與陰極壓降情況，從圖中可以看出，陽極與陰極壓降均隨著流道寬度的增加而減小，在流道寬度為0.3～1.0 mm范圍內(nèi)，流道壓降變化幅度很大，當(dāng)流道寬度大于1 mm時(shí)，陰陽極壓降減小的速率趨于平緩。從圖4可以看出，隨著流道寬度的減小，脊寬度對(duì)陽極壓降的影響逐漸明顯，脊寬度減小，壓降升高。從圖5中可以看出，隨著流道寬度的增大，脊寬度對(duì)陰極壓降的影響略微顯現(xiàn)，脊寬度減小，壓降略微減小。

圖6為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定流道寬度，不同脊寬度的條件下，單電池的電流密度變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)流道寬度為0.5 mm時(shí)，隨著脊寬度的增加，電流密度逐步減小。而當(dāng)流道寬度為0.6～1.5 mm時(shí)，隨著流道寬度的增加，電流密度基本呈現(xiàn)先增大，逐步恒定，再減小的趨勢。

圖4 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陽極壓降

圖5 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陰極壓降

圖6 恒定流道寬度不同脊寬度的條件下單電池的電流密度變化曲線

圖7 為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定脊寬度，不同流道寬度條件下，單電池電流密度變化情況，從圖中可以看出，當(dāng)脊寬度為0.3～1.0 mm時(shí)，隨著流道寬度的增加，電流密度逐步減小，當(dāng)脊寬度為1.2～1.5 mm時(shí)，隨著流道寬度的增加，電流密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4.2 0.4 V時(shí)流道寬度和脊寬度對(duì)電池性能影響

圖8和圖9分別為單電池在0.4 V工作電壓下，恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下，陽極以及陰極的壓降情況。從測試結(jié)果可以看出當(dāng)流道寬度為0.3～0.7 mm時(shí)，陽極壓降隨著脊寬度的增加而呈現(xiàn)逐步減小，且流道寬度為0.3 mm時(shí)的減小速率明顯高于流道深度為0.5～0.7 mm時(shí)的速率。當(dāng)流道寬度為0.9～1.5 mm時(shí)，隨著脊寬度的增加，陽極壓降基本沒變化。隨著脊寬度的增加，陰極壓降緩慢升高。且流道寬度為0.3 mm時(shí)，壓降明顯高于其它流道寬度時(shí)的壓降。

圖7 恒定脊寬度不同流道寬度條件下單電池電流密度變化情況

圖8 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陽極壓降

圖9 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陰極的壓降

圖10 和圖11為單電池在0.4 V工作電壓下，恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下，單電池陽極與陰極壓降情況。從圖中可以看出，隨著流道寬度的增加，陰極和陽極壓降逐步降低，且當(dāng)流道寬度大于1 mm時(shí)，陰陽極壓降降低幅度逐步趨于平緩。在流道寬度小于1 mm時(shí)，脊寬度越小，陽極壓降越大。而陰極壓降情況與之相反，脊寬度越大，陰極壓降越大。

圖12為單電池工作電壓為0.4 V時(shí)，恒定流道寬度，不同脊寬度條件下，電流密度隨脊寬度的變化情況。從圖中可以看出流道寬度為0.5～0.7 mm時(shí)，電流密度隨著脊寬度的增加，逐步降低。而當(dāng)流道寬度為0.9～1.5 mm時(shí)，電流密度隨著脊寬度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖10 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陽極壓降

圖11 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陰極壓降

圖12 恒定流道寬度不同脊寬度條件下電流密度隨脊寬度的變化

圖13 為單電池工作電壓為0.4 V時(shí)，恒定脊寬度，不同流道寬度條件下，電流密度隨流道寬度的變化情況。從圖中可以看出流道寬度為0.3～0.6 mm時(shí)，電流密度隨著流道寬度的增加，逐步降低。而當(dāng)流道寬度為0.7～1.5 mm時(shí)，電流密度隨著流道寬度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖13 恒定脊寬度不同流道寬度條件下電流密度隨流道寬度的變化

4.3 流道深度對(duì)電池性能影響

圖14 為單電池流道深度分別為0.4 mm、0.5 mm、0.7 mm和1.0 mm時(shí)的電池性能仿真結(jié)果曲線。從圖14中可以看出，隨著流道深度的逐漸變小，電池的極限電流密度逐漸變大，比功率逐步上升。

圖14 電池性能曲線

由于進(jìn)氣氣體質(zhì)量流率不變，流道深度的逐漸減小，導(dǎo)致了氣體流速隨著流道深度的變小而逐步增大，促進(jìn)了反應(yīng)氣體向擴(kuò)散層內(nèi)的擴(kuò)散以及電池內(nèi)部反應(yīng)生成水向外的遷移，降低了電池在大電流密度下的過電勢，從圖15可以看出，氣體擴(kuò)散層與催化層交界處的氧氣濃度隨著流道深度的減小而逐步增大。從圖16中可以看出，隨著流道深度的增加，氣體擴(kuò)散層與催化層交界處的水含量逐漸增多。同時(shí)，從圖17中可以看出，流道深度越小，流道中從入口到出口的壓力降就越大，有利于反應(yīng)生成水的排出。

4.4 優(yōu)化方向和原則

對(duì)比以上仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單電池在0.6 V工作條件下與0.4 V條件下的壓降變化趨勢與電流密度變化趨勢基本相似，而0.4 V條件下的變化幅度較為明顯，因此以0.4 V的單電池仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

圖15 不同流道深度時(shí)陰極氣體擴(kuò)散層與催化層交界處氧氣濃度分布

圖16 交界處水分布

圖17 流道從入口到出口方向陰極壓降

合適的燃料電池流道幾何形狀，既不應(yīng)有高壓降，也不應(yīng)有低電流密度。由于質(zhì)子交換膜燃料電池中較高的壓降需要空壓機(jī)消耗更多的能量，最終會(huì)降低燃料電池的效率。從以上仿真結(jié)果可以得出：脊寬度對(duì)壓降影響很小，陽極壓降相對(duì)于陰極壓降可以忽略不計(jì)。因此可以從電流密度以及陰極壓降兩個(gè)參數(shù)去篩選出合適的流道尺寸，從仿真結(jié)果可以得出在單電池工作電壓為0.4 V時(shí)，流道寬度/脊寬度為0.5/0.3 mm時(shí)單電池的電流密度最大為1.15 A/cm2，然而此時(shí)流道長度只有20 mm的情況下陰極壓降高達(dá)22.46 Pa，顯然這會(huì)額外的增加不少空壓機(jī)的功耗。考慮最小壓降的情況，相應(yīng)的流道寬度/脊寬度為1.5/0.3 mm，然而此時(shí)的電流密度僅有0.94 A/cm2，且只有0.3 mm的脊寬度也會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的增大，這也會(huì)導(dǎo)致電池性能的下降。進(jìn)一步的分析仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)流道寬度/脊寬度為0.9 mm/0.9 mm和1 mm/1 mm這2個(gè)尺寸時(shí)，單電池的陰極壓降和電流密度分別是12.3 Pa和1.07 A/cm2和11.5 Pa和1.05 A/cm2，這2個(gè)尺寸下的單電池電流密度相對(duì)較高且陰極壓降較小。

單從提高電池性能的角度來看，流道深度越小越好，但是流道深度越小壓力降就越大，流道深度從0.4 mm變?yōu)?.5 mm時(shí)，電池性能變化不大，但是流道中壓力損失卻突然增加很多，對(duì)于實(shí)際電池而言，對(duì)空壓機(jī)的要求大大提高，這會(huì)造成整體系統(tǒng)的效率下降。因此，流道深度為0.5 mm較為合理。

5 結(jié)論

流道的寬度和深度對(duì)燃料電池流道的壓降影響更加明顯，而流道的寬度、深度以及脊寬度對(duì)燃料電池電流密度的影響相當(dāng)。綜合考慮電流密度以及壓降2項(xiàng)參數(shù)，流道寬度、深度和脊寬度等尺寸分別為0.9 mm、0.5 mm和0.9 mm時(shí)燃料電池性能最優(yōu)。

流道優(yōu)化最終也受到雙極板材料的限制，不同的材料，由于物性差別，可能會(huì)產(chǎn)生不同的優(yōu)化結(jié)果，這需要引起設(shè)計(jì)者的關(guān)注。