鄭宇

摘要：基于COMSOL Multiphysics仿真軟件對質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極流場進行了仿真研究，通過對壓力、速度、氧氣濃度與電流密度等參數(shù)的研究來比較多通道蛇形流場的尺寸對質(zhì)子交換膜燃料電池的性能影響。指導質(zhì)子交換膜燃料電池流場設計。

Abstract： Based on COMSOL Multiphysics simulation software， the cathode flow field of proton exchange membrane fuel cell was simulated. The parameters of pressure， velocity， oxygen concentration and current density were compared to compare the size of multi-channel serpentine flow field to proton exchange membrane fuel. The performance impact of the battery. Guide the flow field design of proton exchange membrane fuel cells.

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）;蛇形流場;三維仿真

Key words： proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）;serpentine flow channel;three-dimensional simulation

0? 引言

燃料電池直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能與熱能，不受傳統(tǒng)熱機的卡諾循環(huán)限制[1]，效率較高且對環(huán)境友好[2]，越來越受到各國政府與研究機構(gòu)的重視。在PEMFC流場設計中普遍采用蛇形流場，其中蛇形多通道流場相比蛇形單通道流場壓降要小，適應于流場面積較大的情況。但仍可能存在某條通道堵塞的情況[3]。因此基于COMSOL Multiphysics軟件對不同通道尺寸的流場進行仿真計算，以分析流場通道尺寸對燃料電池性能的影響。

1? 流場通道形狀的影響

流場通道的形狀的選取也很重要。梯形通道的加工較為不易，而圓弧形的通道底部則會使凝結(jié)的水形成一層水膜，影響氣體的擴散從而影響反應速率。具有尖角的通道結(jié)構(gòu)有助于破壞水膜的表面張力從而阻止水膜的形成[4]。

流場通道的尺寸對電池性能的影響很大，通常通道尺寸在0.4-4mm之間變化[5]，通道過窄，則不易于氣體擴散層排水，通道越寬，則反應氣體與擴散層接觸越直接。在燃料電池的試驗研究中流道寬度尺寸普遍采用0.8-1.0mm[6，7，8]。

2? 建立模型

2.1 幾何與物理模型

在COMSOL軟件中建立的多通道蛇形流場的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中氣體流動方向為左上方流入，右下方流出。其中通道尺寸為0.8mm的模型所需的幾何與物理參數(shù)如表1所示。通道尺寸為1mm的模型除流場通道尺寸及肋寬不同其他參數(shù)與表1保持一致。

2.2 模型設定

①反應氣體為不可壓縮的理想氣體;②燃料電池在穩(wěn)態(tài)條件下運行;③氣體以層流狀態(tài)流動;④電極結(jié)構(gòu)各向同性。其余參數(shù)由以下公式給出。

多孔陰極發(fā)生的反應使氧氣還原，即：

3? 試驗驗證

為了驗證COMSOL軟件模型計算的準確性，首先建立一個上海交通大學在實際試驗中使用過的單通道蛇形流場的幾何模型[8]如圖2所示，通過將仿真計算結(jié)果與上交實際試驗結(jié)果比較來驗證COMSOL軟件計算準確性。并劃分高質(zhì)量六面體網(wǎng)格。

如圖3，將模擬計算得到的極化曲線與實際試驗得到的極化曲線相對比，發(fā)現(xiàn)在電流密度為1.0A/cm2時有最大誤差，實驗結(jié)果為0.68V，仿真結(jié)果為0.64V，最大誤差為6.25%。因此計算結(jié)果與試驗結(jié)果滿足誤差要求。通過借鑒上交的研究進展后續(xù)建立了三通道蛇形流場模型，試圖在上交研究基礎上通過對三通道蛇形流場模型通道尺寸的進一步優(yōu)化來獲取更好的性能表現(xiàn)。

4? 結(jié)果分析

4.1 壓力分布

通道尺寸為0.8mm時進出口氣體壓差為300Pa，通道尺寸為1mm時進出口壓差為205Pa。所以通道尺寸的適當增加能有效減小氣體流動阻力。

4.2 速度分布

流場通道尺寸為0.8mm時，通道內(nèi)氣流的最大速度為5.55m/s;通道尺寸為1mm時，最大氣流速度為4.78m/s。增加通道尺寸以后，氣體在通道內(nèi)的速度分布更加均勻，尤其是第一條通道的第二次轉(zhuǎn)彎與第三條通道的第一次轉(zhuǎn)彎處附近，但大尺寸的通道尺寸能有效改善降低的幅度，避免出現(xiàn)氣體流速突變的現(xiàn)象。（圖4）

4.3 氧氣濃度、水濃度分布

通道尺寸為0.8mm時GDL內(nèi)平均氧氣濃度為1.89 mol/m3，而通道尺寸為1mm時GDL內(nèi)平均氧氣濃度為2.67mol/m3。適當增加通道尺寸能有效增強氣體向GDL內(nèi)的擴散。尤其可以有效提高流場后段的氧氣濃度。同時，通道尺寸的增加能有效地將電池內(nèi)的過量水分排出，提高燃料電池的性能表現(xiàn)。

4.4 極化曲線

對兩種通道尺寸的流場分別建立完整的單電池模型，得到的極化曲線與功率密度曲線如圖5所示。可以看到，通道尺寸的適當增加能有效提高燃料電池的性能表現(xiàn)，尤其在電流密度較大的情況下，適當增加流場的通道尺寸也可以提高電池的功率密度。

5? 結(jié)語

①對于流場通道形狀的選取需要考慮通道形狀對通道內(nèi)水凝結(jié)方式的影響，通常采用矩形通道，特殊情況可以設計諸如多邊形的通道形狀以適應電池組的設計與匹配要求。

②通道尺寸對流場參數(shù)影響很大，適當增加通道尺寸可以降低氣體流動阻力，改善氣體流動狀態(tài)，防止氣流速度突變，增強流場與氣體擴散層的氣體交換，提高氣體擴散層內(nèi)反應氣體濃度，而且有助于將流道內(nèi)多余水分排出，提高電池性能。

③在實際應用中還要考慮到通道尺寸太大時膜電極組件偏轉(zhuǎn)到通道中的問題，一般選取通道尺寸為1mm，但可以在0.4-4mm之間根據(jù)實際需要進行適當?shù)卣{(diào)整?？偠灾?，流場的理論設計需要與燃料電池實際需求相適應。

參考文獻：

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[2]Appleby AJ， Foulkes FR. Fuel Cell Handbook [M]. New York：Van Nostrand Reinhold，1994.13-22.

[3]Watkins DS， Dircks KW， Epp DG. Fuel Cell Fluid Flow Field Plate; 1992.U.S.Patent 5， 108， 849.

[4]Wilkinson DP， vanderleeden O. Serpentine Flow Field Design. In： Vielstich W， Lamm A， Gasteiger H， editors. Handbook of Fuel Cell Technology： Fundamentals， Technology and Applications， 3. New York： John Wiley&Sons; 2003. P. 315-24. Part 1.

[5]Frano Barbir. PEM燃料電池：理論與實踐 [M].二版.機械工業(yè)出版社：2016，130-131.

[6]沈俊.基于強化傳質(zhì)的燃料電池流場優(yōu)化及水熱管理研究[D].華中科技大學，2018.

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[8]張卿雷.基于CFD方法的質(zhì)子膜燃料電池內(nèi)部傳質(zhì)分析及優(yōu)化設計[D].上海交通大學，2017.