溫小飛，王曼麗，賈英杰，詹志剛

(1.浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.武漢理工大學(xué)，材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070)

質(zhì)子交換膜燃料電池因其低噪音、無污染、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為21 世紀(jì)應(yīng)用前景最廣泛的綠色能源發(fā)電裝置之一[1]，如今已在燃料電池汽車、客車、有軌電車等陸上交通工具開展試運(yùn)行及示范[2]。同時(shí)，其也為了船舶行業(yè)存在一直未能有效解決的環(huán)境污染問題例如有害氣體排放、振動(dòng)、噪聲[3-4]等提供了可期的系統(tǒng)性技術(shù)解決方案，從而引起了越來越多的國內(nèi)外研究人員關(guān)注并開展質(zhì)子交換膜燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問題研究，而船用環(huán)境適應(yīng)性問題又成為其首要問題，其中包含了船舶振動(dòng)、噪聲、六自由度運(yùn)動(dòng)、空氣鹽堿度等影響因素。針對(duì)該問題，國內(nèi)外專家學(xué)者已開展了一系列研究工作：2009 年BREZINER，et al[5]建立了振動(dòng)對(duì)氣體擴(kuò)散層水運(yùn)輸影響的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了單電池振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：振動(dòng)會(huì)造成電池性能下降；2011 年HOU Yongping，et al[6]等通過強(qiáng)化振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：燃料電池堆的安全性能隨著振動(dòng)的進(jìn)行出現(xiàn)明顯衰減現(xiàn)象，電池堆的氣密性、絕緣阻值、開路電壓均下降；2016 年WANG Xueke，et al[7]通過觀察不同振動(dòng)頻率下PEMFC 電壓曲線以及水輸運(yùn)過程，得出：當(dāng)振動(dòng)頻率較低時(shí)電池性能略有改善，隨著振動(dòng)時(shí)間增加，流道里水蒸氣凝聚形成液態(tài)水從而干擾傳質(zhì)并導(dǎo)致電壓波動(dòng)。

目前針對(duì)船舶振動(dòng)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響方面的研究成果為數(shù)不多，且以試驗(yàn)研究為主。本文應(yīng)用傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型，考慮了船舶振動(dòng)載荷影響，進(jìn)行了單流道質(zhì)子交換膜燃料電池性能的數(shù)值仿真，比較分析了有、無振動(dòng)載荷情況下質(zhì)子交換膜燃料電池性能參數(shù)變化規(guī)律。

1 PEMFC 的工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池主要由質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)、氣體催化層(catalyst layer，CL)、氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer，GDL)、雙極板(bipolar plate，BP)等部件組成如圖1 所示。其中，質(zhì)子交換膜隔離電池的陰、陽兩極并為形成質(zhì)子(氫離子)傳輸路徑；催化層是進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的場所；氣體擴(kuò)散層主要為反應(yīng)氣體擴(kuò)散、液態(tài)水去除提供通道。通常情況下，PEM、CL 以及GDL 結(jié)合組成膜電極組件(membrane electrode assembly，MEA)；雙極板又稱集流板，其兩面都有流道，主要起到均勻分布?xì)怏w、串聯(lián)單個(gè)電池、收集傳導(dǎo)電流、支撐膜電極以及帶出電化學(xué)反應(yīng)生成水的作用。

圖1 PEMFC 結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and working principle of PEMFC

PEMFC 工作原理是電解水的逆過程，氫氣和氧氣分別由陽極和陰極的雙極板流道進(jìn)入擴(kuò)散層，經(jīng)氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化層，在催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其中陽極的H2在陽極催化層中被分解為質(zhì)子(H+)和帶負(fù)電的電子。陽極的H+經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子不能穿過膜材料則通過外電路到達(dá)陰極催化層，電子在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生了電流。同時(shí)，在陰極催化層與H+以及通過陰極流道、擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池總反應(yīng)可表示為式(1)。

單個(gè)PEMFC 的實(shí)際工作電壓一般為0.7 V，功率為0.6 W·cm-2，實(shí)際使用時(shí)通常根據(jù)所需功率、電壓將多個(gè)單電池以串、并聯(lián)方式進(jìn)行組合，即為質(zhì)子交換膜燃料電池電池堆(組) 如圖2 所示。在圖2中，雙極板與膜電極組件以及相應(yīng)的密封單元交替重復(fù)，一端為電池組陽極流氫氣，另一端為電池組陰極流空氣。

圖2 PEMFC 電池堆示意圖Fig.2 Schematic diagram of PEMFC battery stack

2 船舶振動(dòng)

船舶航行過程中船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為復(fù)雜，主要由隨機(jī)振動(dòng)、正弦振動(dòng)及其混合振動(dòng)信號(hào)組成[8]，并以累積、周期性振動(dòng)形式作用于船體與設(shè)備；其振動(dòng)類型主要包括：船體振動(dòng)、上層建筑振動(dòng)、軸系振動(dòng)、機(jī)械設(shè)備振動(dòng)和流體系統(tǒng)振動(dòng)[9]，如表1 所示。

對(duì)于船用設(shè)備而言，其振動(dòng)頻率范圍一般低于100 Hz[10]，同時(shí)根據(jù)《機(jī)械振動(dòng) 船舶設(shè)備和機(jī)械部件的振動(dòng)試驗(yàn)要求》規(guī)定了的船用電氣設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)范圍，其振動(dòng)位移即振幅限值不超過1.6 mm，振動(dòng)頻率適用范圍0～100 Hz，具體如表2 所示。因此，本文質(zhì)子交換膜燃料電池性能仿真計(jì)算僅選取具有代表性的船舶振動(dòng)載荷即振動(dòng)頻率為5 Hz、振幅為1.6 mm。

表1 船舶振動(dòng)類型及振動(dòng)形式統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of ship vibration type and vibration form

表2 船舶設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)列表Tab.2 Test standards of marine equipment vibration

3 數(shù)值仿真

3.1 幾何模型

質(zhì)子交換膜燃料電池性能仿真采用了單流道模型如圖3 所示，仿真模型基本參數(shù)：外圍尺寸為50 mm×1.1 mm×1.435 mm，其中流道長50 mm，流道的寬度和深度為0.5 mm×0.4 mm，集流板厚度為0.5 mm，氣體擴(kuò)散層厚度為0.2 mm，催化層厚度為0.01 mm，質(zhì)子交換膜厚度為0.015 mm。由于質(zhì)子交換膜燃料電池各層在3 個(gè)方向的尺度存在著一定數(shù)量級(jí)的差異性，且電化學(xué)反應(yīng)主要在催化層發(fā)生，因此需要對(duì)催化層網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行控制，以保證計(jì)算結(jié)果精度。在網(wǎng)格精細(xì)化處理后，進(jìn)行了網(wǎng)格靈敏性驗(yàn)證，最終計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)為128 000 如圖4 所示。

圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

圖4 模型網(wǎng)格Fig.4 Model grid

3.2 邊界條件與參數(shù)設(shè)置

質(zhì)子交換膜燃料電池模擬的工作環(huán)境為343 K，陽極氣體加濕度100%，陰極無加濕；流道進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，陽極的進(jìn)口流量3.383253e-08 kg·s-1，其中氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38，其余為水蒸氣；陰極氣體的進(jìn)口流量為7.339254e-07 kg·s-1，其中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.233，其余為氮?dú)?；出口均采用壓力出口邊界條件，出口背壓為100 kPa；陰陽極過量系數(shù)分別為2.5 和1.5。壁面采用無滑移固定壁面，計(jì)算電流密度為1.5 A·cm-2的電池電壓輸出值。主要電化學(xué)反應(yīng)氣體物性參數(shù)及主要部件材料物性參數(shù)詳見表3。

表3 主要物性參數(shù)Tab.3 Main parameters of PEMFC

3.3 船舶振動(dòng)加載方法

考慮船舶振動(dòng)影響的質(zhì)子交換膜燃料電池性能仿真屬于瞬態(tài)問題，根據(jù)船舶振動(dòng)特征，采用了滑移網(wǎng)格技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)載荷的加載，選取了船舶垂向振動(dòng)作為振動(dòng)載荷，且假設(shè)其為簡諧振動(dòng)。通過編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)宏DEFINE_ZONE_MOTION 定義振動(dòng)頻率、幅度，且為保證有振動(dòng)、無振動(dòng)兩種工況分析對(duì)比的科學(xué)性，在數(shù)值模擬過程中，各項(xiàng)邊界條件設(shè)置兩種工況均相同。

3.4 求解

為了分析船舶振動(dòng)環(huán)境對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響，選取8 組不同電流密度計(jì)算電池輸出電壓值，分別為0.1 A·cm-2、0.3 A·cm-2、0.5 A·cm-2、0.7 A·cm-2、0.9 A·cm-2、1.1 A·cm-2、1.3 A·cm-2、1.5 A·cm-2，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent PEMFC 模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，壓力速度耦合方式選用SIMPLE 算法，首先進(jìn)行無振動(dòng)工況仿真求解，得到定常流場，用于無振動(dòng)工況后處理；之后，以定常流場作為瞬態(tài)計(jì)算的初始值，打開滑移網(wǎng)格設(shè)置并載入船舶振動(dòng)載荷UDF，根據(jù)正弦振動(dòng)信號(hào)的頻率設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間步長和迭代步數(shù)，改變求解設(shè)置即穩(wěn)態(tài)改為瞬態(tài)，進(jìn)行非定常流場仿真求解。

4 比較與分析

根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響因素及其評(píng)價(jià)特征參數(shù)，對(duì)其流場、氣體分布、電池性能曲線進(jìn)行了比較分析，從而討論了船舶振動(dòng)載荷對(duì)質(zhì)子交換膜燃料性能的影響情況。

4.1 流場分布

在進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，其他各項(xiàng)邊界條件均與不振動(dòng)的工況下的邊界條件是相同的，圖5(a)、(b)分別為無振動(dòng)工況下、有振動(dòng)工況下電池內(nèi)部流體的速度分布圖，由圖5(a)可以看出速度在質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的分布規(guī)律，沿著流動(dòng)方向，速度場很快形成了規(guī)則的分布規(guī)律；但是圖5(b)振動(dòng)工況下電池有效氣體流道速度場發(fā)生擾動(dòng)，會(huì)影響質(zhì)子交換膜燃料電池的性能。

圖5 流場分布圖Fig.5 Distribution of the flow field

4.2 氣體分布

流場中氣體含量最大與最小值之差，其大小可以反映出氣體在流場中的分布均勻情況。相同的邊界條件下，兩種工況下質(zhì)子交換膜燃料電池陽極氫氣質(zhì)量分布、陰極氧氣質(zhì)量分布分別如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7 可知，從入口到出口氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈逐漸減小的趨勢(shì)，無振動(dòng)工況下氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為0.55，振動(dòng)工況下氫氣最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5；振動(dòng)工況下氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)有小幅度降低。所以振動(dòng)會(huì)弱化反應(yīng)氣體在流場的擴(kuò)散作用，從而使得質(zhì)子交換膜電池性能有所下降。

圖6 陽極入口到出口氫氣質(zhì)量分布云圖Fig.6 Cloud image of hydrogen mass distribution from anode inlet to outlet

圖7 陰極入口到出口氧氣質(zhì)量分布云圖Fig.7 Cloud image of oxygen mass distribution from cathode inlet to outlet

4.3 電池性能

質(zhì)子交換膜燃料電池性能主要通過電流密度-電壓變化曲線、電流密度-功率密度變化曲線等進(jìn)行表征，在有、無船舶振動(dòng)情況下質(zhì)子交換膜燃料電池性能曲線如圖8 所示。對(duì)于電流密度-電壓變化曲線而言，相同電流密度下，振動(dòng)會(huì)造成質(zhì)子交換膜燃料電池電壓下降，電池性能降低。從電流密度-功率密度變化曲線來看，相同電流密度下，振動(dòng)會(huì)造成質(zhì)子交換膜燃料電池功率密度下降。具體而言，在電流密度為1.5 A·cm-2時(shí)，無振動(dòng)工況下電池電壓為0.551 6 V，振動(dòng)情況下電池電壓降為0.540 2 V，電池功率密度下降了2%，與文獻(xiàn)[12]試驗(yàn)結(jié)果(振動(dòng)與沖擊載荷下燃料電池堆輸出功率下降了3.5%)較吻合。

圖8 PEMFC 性能變化曲線圖Fig.8 Performance curves of PEMFC

5 結(jié)論

船舶振動(dòng)環(huán)境會(huì)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池速度場造成擾動(dòng)，干擾其氣體流場分布規(guī)律，從而影響內(nèi)部組分傳輸，并導(dǎo)致質(zhì)子交換膜燃料電池性能發(fā)生一定程度衰變；船舶振動(dòng)載荷(5 Hz，1.6 mm)影響下，質(zhì)子交換膜燃料電池性能曲線呈下降趨勢(shì)，在電流密度為1.5 A·cm-2時(shí)其電壓、功率密度均下降了2%。船舶環(huán)境影響不僅僅船舶振動(dòng)，還有其他方面的影響，后續(xù)工作除了對(duì)更多船舶振動(dòng)載荷影響進(jìn)行研究外，還需進(jìn)一步考慮多種影響因素影響及其耦合影響，并開展質(zhì)子交換膜燃料電池性能控制方面技術(shù)研究。