蔡永華,魏 帆,吳 迪,孫靖茗

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070; 2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430070; 3.新能源與智能網(wǎng)聯(lián)車湖北省工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430070; 4.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070）

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢,是有前途的便攜式動力能源,但商業(yè)化還面臨一些問題,如組件耐久性差和成本高等。對高電流密度下電池性能和耐久性衰退機(jī)制的研究認(rèn)為,反應(yīng)物運(yùn)輸能力較差是導(dǎo)致反應(yīng)物缺乏和產(chǎn)生水淹的主要原因[1]。B.W.Wang等[2]通過準(zhǔn)二維模型的仿真,發(fā)現(xiàn)提高陽極、陰極入口壓力,分別對電壓下降起到緩解和加劇作用。優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)設(shè)計,也可增強(qiáng)電池的傳質(zhì)能力。姚國軍等[3]設(shè)計的PEMFC采用迷宮流場結(jié)構(gòu)雙極板,具有較大的功率密度,最大值為0.52W/cm2。Y.Yin等[4]探究了擋板高度和擋板數(shù)量在特定電壓下對電池性能的影響,指出:擋板高度為70%、擋板數(shù)量為5個時,電池凈功率提升最大。劉志春等[5]發(fā)現(xiàn),各單體電池若合理采用非均勻深度流道,可提高電池堆流量分布的均勻性。此外,一些研究者關(guān)注于傳統(tǒng)流場的改造。H.Heidary等[6]通過模擬和實(shí)驗(yàn)探究,發(fā)現(xiàn)相較于直線排列方式,平行流場中堵塊交錯排列的電池性能增加了7%,能夠提供更可靠的性能。T.Monsaf等[7]分析螺旋流場的流道寬度和螺旋圈數(shù),發(fā)現(xiàn)增加流道的寬度有利于反應(yīng)物的均勻分布,適當(dāng)增加螺旋的數(shù)量,有利于提高功率密度。蔡永華等[8]建立三維單流道模型,分析過量系數(shù)和堵塊高度作用機(jī)制的差異,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化傳質(zhì)流場中的堵塊迫使氣流進(jìn)入擴(kuò)散層的作用,能在所有電流密度下生效;而提高過量系數(shù),在低電流密度下無法通過濃度擴(kuò)散提高擴(kuò)散層中氧氣濃度。

本文作者在Fluent軟件中建立4種堵塊高度的強(qiáng)化傳質(zhì)流道三維模型及傳統(tǒng)直流道單流道三維模型,通過數(shù)值模擬研究不同陰極過量系數(shù)和堵塊高度的共同作用對PEMFC性能和傳質(zhì)性能的影響,分析得出堵塊高度和過量系數(shù)共同作用下的氧氣傳輸機(jī)理。

1 模型與參數(shù)

PEMFC模型是一個復(fù)雜的三維多相的系統(tǒng),包含物質(zhì)傳輸、相變、傳熱和電化學(xué)等。為了在模擬仿真中體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)對PEMFC傳質(zhì)性能的影響,需要建立幾何模型與數(shù)值模型,并基于一些假設(shè)進(jìn)行仿真。幾何模型與數(shù)值模型的建立、仿真基于的假設(shè)、邊界條件、模型有效性驗(yàn)證和網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證見文獻(xiàn)[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 過量系數(shù)和堵塊高度的共同作用機(jī)制

具有不同堵塊高度的陰極強(qiáng)化傳質(zhì)流場的電池模型在不同過量系數(shù)下的極化曲線見圖1。

從圖1可知,與文獻(xiàn)[8]中直流道結(jié)構(gòu)在各過量系數(shù)下的極化曲線相比,在堵塊高度和過量系數(shù)的共同作用下,當(dāng)堵塊高度為50%、70%、90%和 94%時,最大功率分別提升了14.8%、15.7%、18.4%和24.3%。在電流密度超過1.6 A/cm2（直流道最大功率所對應(yīng)的電流密度）后,電池性能衰退較慢,說明拓展了極限電流密度;在低電流密度下,電池的性能基本一致。此外,以直流道結(jié)構(gòu)在過量系數(shù)3.0工況下的總功率密度0.829W/cm2為標(biāo)準(zhǔn),堵塊高度為50%、70%、90%和94%的模型,在過量系數(shù)為2.5時的功率密度分別達(dá)到了0.820W/cm2、0.826W/cm2、0.837W/cm2和0.856W/cm2。這表明,在滿足同等功率需求時,增設(shè)堵塊的結(jié)構(gòu)所需進(jìn)氣量比直流道結(jié)構(gòu)少。隨著過量系數(shù)的增大,該現(xiàn)象更明顯。94%高度模型在3.0過量系數(shù)下的電池性能（0.887W/cm2）已超過直流道結(jié)構(gòu)在5.0過量系數(shù)下的0.874W/cm2[8],減少了40%的進(jìn)氣量。這說明,增設(shè)堵塊結(jié)構(gòu)可以提高電池的燃料經(jīng)濟(jì)性。

圖1 各電池模型在不同過量系數(shù)下的極化曲線Fig.1 Polarization curves of each cell model under different excess coefficient

不同堵塊高度的模型在不同過量系數(shù)下的壓降見表1。

從表1可知,在堵塊高度不高于70%時,壓降較小,維持電池運(yùn)行所需的補(bǔ)償功率密度基本可忽略不計。在堵塊高度不低于90%時,壓降至少為3 558.27 Pa,且隨著過量系數(shù)的增加而增大,因此凈功率密度會受到較大的影響。

表1 各電池模型在不同過量系數(shù)下的壓降Table 1 Pressure drop of each cell model under different excess coefficients

不同堵塊高度的模型在不同過量系數(shù)下的凈功率密度見圖2。

圖2 各電池模型在不同過量系數(shù)下的凈功率密度Fig.2 Net power density of each cell model under different excess coefficients

從圖2可知,在堵塊高度低于90%時,無論處于何種過量系數(shù)下,最大功率密度的下降幅度都小于5‰;在堵塊高度為90%,過量系數(shù)高于3.0時,最大功率密度的下降幅度已經(jīng)超過5‰;甚至在過量系數(shù)為5.0時,該幅度可達(dá)2.8%。在堵塊高度為94%時,最大功率密度的下降幅度最多可達(dá)8.51%,嚴(yán)重影響了凈功率密度。這表明,雖然電池功率隨著堵塊高度和過量系數(shù)的提升能得到良好的改善,但所需的補(bǔ)償功率也會隨之上升,并且補(bǔ)償功率的數(shù)量級與堵塊高度成正相關(guān)。

不同堵塊高度模型的催化層和氣體擴(kuò)散層中平均氧氣摩爾濃度隨電流密度變化的關(guān)系見圖3。

從圖3可知,在堵塊高度不到90%時,堵塊結(jié)構(gòu)與直流道結(jié)構(gòu)[8]相似,存在氧氣濃度上限,且氧氣濃度上限相差較小。這一上限在堵塊高度達(dá)到90%時被突破,尤其是堵塊高度為94%的模型,低電流密度時的氧氣濃度超過直流道20%以上。隨著電流密度增大,氧氣的消耗加劇,氧氣傳質(zhì)能力的提升效果更加顯著,濃度提升幅度最大可達(dá)到38%;而在低過量系數(shù)時,也能看到顯著的氧氣濃度差異。在堵塊高度為94%的模型中,氧氣濃度提升幅度更明顯,在過量系數(shù)為5.0時,流道前半段濃度均在6.0 mmol/m3以上。

圖3 各電池模型在不同過量系數(shù)下的氧氣摩爾濃度Fig.3 Oxygen molar concentration of each cell model under different excess coefficient

2.2 基于過量系數(shù)和堵塊高度的無量綱分析

基于直流道和不同堵塊高度結(jié)構(gòu)的電池在過量系數(shù)分別為2.0、3.0、4.0和5.0的工況下的最大凈功率密度,建立與堵塊高度和過量系數(shù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式,無量綱參數(shù)K作為預(yù)測電池性能的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

式（1）中:h為堵塊高度占流道高度的百分比;s為過量系數(shù)。

由于在燃料電池的實(shí)際使用中,流道結(jié)構(gòu)固定而工況可變,對K值求s的偏導(dǎo),可得:

根據(jù)式（2）可知,因?yàn)槎聣K高度h是堵塊高度占流道高度的比值,范圍為0～1,所以對于無堵塊結(jié)構(gòu),K值在過量系數(shù)s為5.3時最大,即直流道電池運(yùn)行在該工況下,凈功率密度最大。對于堵塊高度為94%的結(jié)構(gòu),K值在過量系數(shù)s為4.8處取得最大值,即在某一堵塊高度下,K值將在過量系數(shù)s達(dá)到某一值時出現(xiàn)峰值。據(jù)此推論,分別進(jìn)行過量系數(shù)為4.8、5.0和6.0的工況下堵塊高度94%的結(jié)構(gòu)和過量系數(shù)為1.5、2.5和3.5的工況下各結(jié)構(gòu)K值的計算和數(shù)值模擬,通過對比K值和實(shí)際最大凈功率密度的變化趨勢,驗(yàn)證K值對于性能預(yù)測的有效性,結(jié)果見圖4。

圖4 K值與實(shí)際性能變化趨勢一致的驗(yàn)證Fig.4 Verification of consistency between K value and actual performance changing trends

從圖4可知,電池性能隨堵塊高度和過量系數(shù)的變化趨勢,基本上與K值的變化趨勢一致。這說明,與堵塊高度和過量系數(shù)相關(guān)的無量綱參數(shù)K,可用于指導(dǎo)燃料電池流道結(jié)構(gòu)設(shè)計,能夠減少設(shè)計所需的實(shí)驗(yàn)成本和仿真時間。

不同堵塊結(jié)構(gòu)在不同過量系數(shù)工況下的K值見圖5。

圖5 K值變化趨勢Fig.5 Change trend of K value

從圖5可知,在過量系數(shù)超過5.5后,直流道結(jié)構(gòu)和堵塊結(jié)構(gòu)的電池都出現(xiàn)了性能瓶頸。直流道是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的限制,擴(kuò)散層和催化層中的氧氣摩爾濃度達(dá)到了濃度擴(kuò)散達(dá)到的上限;堵塊結(jié)構(gòu)是因?yàn)榧哟筮^量系數(shù)所產(chǎn)生的壓降耗損了部分功率,降低了凈功率密度。根據(jù)K值隨過量系數(shù)s變化的趨勢來看,K∈[20,30]時,凈功率密度為0.72～0.80W/cm2,電池性能較差,陰極反應(yīng)氣體處于缺乏狀態(tài),凈功率密度隨過量系數(shù)增長的幅度較大;K∈（30,40]時,凈功率密度為0.80～0.85W/cm2,電池性能隨著過量系數(shù)的提升穩(wěn)步上升,陰極反應(yīng)氣體消耗程度略大于補(bǔ)充程度,缺氧的狀況得到緩解;K>40時,凈功率密度為0.85～0.89 W/cm2,提升過量系數(shù)帶來的收益已經(jīng)微乎其微,陰極反應(yīng)氣體已經(jīng)處于飽和狀態(tài),限制電池性能的因素主要是流道結(jié)構(gòu)和壓降補(bǔ)償功率。

3 結(jié)論

本文作者對PEMFC的堵塊高度和過量系數(shù)的共同作用機(jī)制進(jìn)行了探究,建立并對比分析了4種堵塊高度的強(qiáng)化傳質(zhì)流道三維模型以及傳統(tǒng)直流道單流道三維模型在不同過量系數(shù)下的電池性能。主要結(jié)論如下:

與堵塊高度和過量系數(shù)相關(guān)的無量綱參數(shù)K值可以用于預(yù)測陰極直流道結(jié)構(gòu)和堵塊結(jié)構(gòu)在不同過量系數(shù)下的性能變化趨勢。K∈[20,30]時,反應(yīng)氣體匱乏,需要增加過量系數(shù);K∈（30,40]時,陰極缺氧的狀況隨過量系數(shù)的提升而緩解;K>40時,陰極反應(yīng)氣體充足,限制電池性能的原因主要是流道結(jié)構(gòu)對反應(yīng)氣體的容納量有限或補(bǔ)償功率的增加幅度大于性能提升的幅度。

直流道結(jié)構(gòu)存在氧氣濃度上限,提升過量系數(shù)無法進(jìn)一步提升流道內(nèi)氧氣濃度,而增設(shè)堵塊的結(jié)構(gòu)能夠在大過量系數(shù)下發(fā)揮更好的傳質(zhì)強(qiáng)化效果。增設(shè)94%高度堵塊的結(jié)構(gòu)相較于直流道,同等情況下氧氣濃度提升幅度分別為20%（低電流密度）和38%（高電流密度）。

增設(shè)堵塊的結(jié)構(gòu)可提高電池燃料經(jīng)濟(jì)性。與直流道結(jié)構(gòu)相比,增設(shè)94%高度的堵塊,最多可降低40%的進(jìn)氣量。

堵塊高度≤70%時,雖然對電池性能提升幅度較小,但能夠拓展極限電流密度,且堵塊所產(chǎn)生的壓降可忽略不計;在堵塊高度≥90%時,堵塊對催化層和擴(kuò)散層中氧氣濃度提升幅度雖然顯著,但可能造成至少3 558.27 Pa的壓降。