宋江南，黃 瑛

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

質(zhì)子交換膜燃料電池能夠?qū)⑷剂系幕瘜W能在不經(jīng)過燃燒的條件下直接將其轉(zhuǎn)化為電能和熱能，效率高且對環(huán)境友好[1-3]，是一種重要的可再生能源，具有良好的應(yīng)用前景[4-5]。其在工作過程中能夠快速啟動，具有靜音的特點，接近零排放(殘留物僅為液態(tài)水和熱量)，而且它不受卡諾效率的限制[6-7]。這種符合當今可持續(xù)發(fā)展價值觀的儲能裝置正在被越來越多的國家和企業(yè)所采用。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要組成部件[8]，可以作為質(zhì)子交換膜燃料電池傳輸電能和熱能的通道，在陰極和陽極氣體的分離和分配中具有重要作用。它約占燃料電池重量的80%和電池堆重量的45%[9]。雙極板的結(jié)構(gòu)會對燃料電池的性能產(chǎn)生很重大的影響[10]。如何對雙極板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計成為了研究者們的研究重點。

燃料電池的流場設(shè)計有4種基本形式，即平形流場、蛇形流場、點陣形流場和交指形流場[11]。研究者們?yōu)樘骄侩p極板的結(jié)構(gòu)對燃料電池性能的影響做出了很多嘗試。李子君等[12]對比研究了直流道和波形流道對 PEMFC 性能提升的機理,分析了兩種流道內(nèi)氧氣、液態(tài)水、速度以及電流密度分布。結(jié)果表明，在較高電流密度下，三維波形流道強化了狹窄通道部分氧氣向催化層的傳輸，提高了氧氣的供應(yīng)，有效去除了流道內(nèi)的液態(tài)水，使峰值功率密度提高了10.16%。周偉等[13]分析了不同三維流場結(jié)構(gòu)在水熱管理方面的優(yōu)勢 ，進一步討論了增強水熱管理的技術(shù)措施，歸納分析了三維流場在實際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)及未來的發(fā)展趨勢。

GHANBARIAN等[14]提出了質(zhì)子交換膜燃料電池平行蛇形流場的合理設(shè)計方法?？紤]了通道寬度和高度、相鄰?fù)ǖ篱g的肋、平行通道數(shù)和蛇形轉(zhuǎn)彎數(shù)等參數(shù)，確定了在這些設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)的所有可能的流場結(jié)構(gòu)，通過仿真模擬找出了能夠得到最小壓降的流場結(jié)構(gòu)。VIOREL[15]通過改變單蛇形-兩通道燃料電池的通道長度和肋寬來探究通道長度和肋寬對燃料電池性能的影響。結(jié)果表明，肋寬最窄(0.75 mm)的模型沿溝道間氣體擴散層區(qū)域的速度分布相當均勻；當肋寬為1.25 mm時，在蛇形區(qū)域內(nèi)通過氣體擴散層呈現(xiàn)中等對流流動(8%)，在兩個通道之間沿整個氣體擴散層區(qū)域的肋對流程度第二高，陰極邊界氧氣消耗情況最好，局部最均勻。

上述研究結(jié)果說明，合理布置的流道能夠有效提升燃料電池的性能。本文主要在50 mm×50 mm的流場區(qū)域內(nèi)建立單通道蛇形流場和平行流場兩種質(zhì)子交換膜燃料電池模型，采用有限元網(wǎng)格劃分軟件HyperMesh進行網(wǎng)格劃分，利用計算流體力學仿真軟件(Fluent)探究不同的流場分布方式對燃料電池性能的影響。

1 模型與參數(shù)

1.1 幾何參數(shù)

流場的主要功能是為反應(yīng)氣體提供適合電化學反應(yīng)的場所，將反應(yīng)氣體均勻分布在流道中使其充分反應(yīng)，保證反應(yīng)氣體的對流與擴散，方便電化學反應(yīng)生成的液態(tài)水排出以及為電化學反應(yīng)中電子傳導(dǎo)和熱傳遞并排出廢熱提供途徑。在燃料電池正常工作中，雙極板的結(jié)構(gòu)形式很大程度上影響了在流道中進行的各種化學反應(yīng)和物理變化。因此，雙極板的結(jié)構(gòu)直接影響到質(zhì)子交換膜燃料電池的性能。

在燃料電池仿真計算過程中，需要建立9個模型計算區(qū)域，分別是陰極和陽極的集電極、流場、氣體擴散層、催化層以及質(zhì)子交換膜。其中，SolidWorks軟件建立的三維模型如圖1和圖2所示，主要考慮燃料電池陰極不同流場形式對燃料電池性能的影響，兩種不同結(jié)構(gòu)的燃料電池僅流道分布結(jié)構(gòu)不同，分為平行流場和蛇形流場，其他模型參數(shù)均相同。流道長寬均為1 mm，質(zhì)子交換膜厚0.05 mm，氣體擴散層厚0.2 mm，催化層厚0.01 mm，活化面積為25 cm2。

圖1 平行流場燃料電池的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of parallel flow field fuel cell

圖2 蛇形流場燃料電池的總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of serpentine flow field fuel cell

1.2 物性參數(shù)與邊界條件

規(guī)定燃料電池進氣口為質(zhì)量流量入口，出口為壓力出口，壁面溫度保持353 K不變。采用基于Simple算法進行離散型迭代求解，不考慮重力的影響，陰極和陽極集電極設(shè)置為固體，其余部分均為流體。壓力采用表1作為仿真中設(shè)置的物性參數(shù)，表2為求解所設(shè)置的邊界條件。在仿真過程中，采用恒電位邊界條件，陰極集電極電勢從靠近開環(huán)電路的高電位逐漸降低，每次迭代得到相對應(yīng)的電流密度，擬合結(jié)果即得到極化曲線。

表1 物性參數(shù)Tab.1 Physical parameters

表2 邊界條件Tab.2 Boundary condition

2 模型假設(shè)

為方便燃料電池的計算，對計算條件進行如下假設(shè)：1)燃料電池的計算環(huán)境為穩(wěn)態(tài)狀態(tài)；2)流場中氣體為不可壓縮氣體；3)燃料電池內(nèi)部流體的雷諾數(shù)小于2 300，流體的流動為層流；4)計算過程中溫度始終不發(fā)生變化；5)質(zhì)子交換膜沒有透水性和透氣性；6)不考慮重力的影響；7)多孔介質(zhì)為各向同性材料。

3 數(shù)學模型方程

3.1 質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：ρ為氣體混合物密度；ε為孔隙率；v為氣體速度矢量；Smass為質(zhì)量源項。

3.2 能量守恒方程

(2)

式中：cρ為定壓比熱；T為溫度；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)；Se為能量源項。

3.3 動量守恒方程

(3)

式中：p為壓強；Smom為動量源項。

3.4 電荷守恒方程

▽(σsol▽Φsol)+Rsol=0

(4)

▽(σmem▽Φmem)+Rmem=0

(5)

式中:σsol和σmem為固相和膜相的電導(dǎo)率；Φsol和Φmem為固相和膜相的電勢；Rsol和Rmem為固相和膜相的電流源相。

3.5 巴特-沃爾默方程

(6)

(7)

4 網(wǎng)格無關(guān)性證明

采用HyperMesh網(wǎng)格劃分工具，網(wǎng)格采用6面體網(wǎng)格，用3種不同網(wǎng)格單元數(shù)的網(wǎng)格將模型進行劃分。網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模型均未出現(xiàn)負體積，case1、case2和case3分別對應(yīng)的網(wǎng)格單元數(shù)為1 682 020、1 840 556和2 160 668。圖3為準備計算的燃料電池局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中網(wǎng)格單元數(shù)為1 682 020。網(wǎng)格無關(guān)性檢測通過對3種不同網(wǎng)格單元數(shù)的模型進行仿真分析，模型選取平行流場的燃料電池，在恒定電壓下求得電流密度，從而繪制出極化曲線。對比3種網(wǎng)格劃分數(shù)量的燃料電池的極化曲線，結(jié)果如圖4所示。在不同網(wǎng)格單元數(shù)下，3種燃料電池的極化曲線誤差范圍在5%以下，誤差在合理范圍內(nèi)，可以驗證網(wǎng)格單元數(shù)不會對仿真結(jié)果造成影響。

圖3 燃料電池局部網(wǎng)格Fig.3 Fuel cell local grid

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性檢測Fig.4 Grid independence detection

5 結(jié)果與分析

5.1 極化曲線分析

極化曲線是衡量質(zhì)子交換膜燃料電池性能的重要依據(jù)。圖5顯示了兩種不同類型流場的質(zhì)子交換膜燃料電池的極化曲線。從圖5中可以看出，兩種流場分布的燃料電池在電流密度較小時的電池性能相差很小，兩種燃料電池的活化極化和歐姆極化現(xiàn)象無明顯區(qū)別。當電流密度超過4 A/m2時，蛇形流場的濃差極化現(xiàn)象相較于平行流場要明顯。這是由于平行流場的流體在平行流道內(nèi)部流動時流體分布不均勻，導(dǎo)致電化學反應(yīng)不能夠充分進行。而且平行流場在靠近進口和出口的流體流動速度較大，而在流道內(nèi)流動速度較小，如圖6所示。

圖5 兩種極化曲線對比Fig.5 Comparison of two polarization curves

圖6 平行流場反應(yīng)氣體流速Fig.6 Reaction gas velocity in parallel flow field

而蛇形流場燃料電池流道內(nèi)反應(yīng)氣體的流速均勻且流速高(如圖7)，使反應(yīng)流體在燃料電池流道內(nèi)部更具流通性，反應(yīng)流體能夠充分接觸，提升能量轉(zhuǎn)換效率。蛇形流場進口與出口的距離較長，壓差大且流速高，使燃料電池電化學反應(yīng)生成的液態(tài)水能夠及時排出，避免發(fā)生水淹現(xiàn)象造成流體的阻塞，從而能夠提高燃料電池的性能。

圖7 蛇形流場反應(yīng)氣體流速Fig.7 Reaction gas velocity in serpentine flow field

5.2 陰極流體分布均勻性分析

圖8為蛇形流場質(zhì)子交換膜燃料電池流道內(nèi)氫氣的質(zhì)量分布。由于蛇形流場為單通道流場經(jīng)過曲折回轉(zhuǎn)排布，流道的長度提高，反應(yīng)氣體從進口到出口隨著反應(yīng)的進行不斷消耗，導(dǎo)致從流道進口到出口的壓降增大，使得反應(yīng)氣體的質(zhì)量分數(shù)從進口到出口逐漸減小，反應(yīng)氣體的濃度分布不均造成電流密度的分布不均勻，使得燃料電池的性能降低。較高的壓降會導(dǎo)致較高的寄生功率，使燃料電池的總效率降低。由于進口和出口之間存在較大的壓力差，整個流場的壓力分配不均，嚴重時會使流體入口處脫水，流道內(nèi)各部位發(fā)生流體溢出現(xiàn)象，流道各部位之間流體泄露，影響電化學反應(yīng)的正常進行。

圖8 蛇形流場氫氣質(zhì)量分布Fig.8 Hydrogen mass distribution in serpentine flow field

如圖9為平行流場氣體擴散層內(nèi)的氫氣分布。平行流場的流道相較于蛇形流場更短，反應(yīng)氣體在流道內(nèi)流動的壓力損失較小，使反應(yīng)氣體在燃料電池內(nèi)部分布不會從進口到出口逐漸降低，而是在整個反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的局部地區(qū)有質(zhì)量分布差異。相較于蛇形流場，平行流場內(nèi)反應(yīng)流體的分布更加均勻，更有利于反應(yīng)物充分反應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)于蛇形流場的氣體擴散方式。

圖9 平行流場氫氣質(zhì)量分布Fig.9 Hydrogen mass distribution in parallel flow field

5.3 壓力云圖分析

如圖10，蛇形流場的壓力分布和反應(yīng)氣體分布情況類似。蛇形流場最高壓力為98 509.5 Pa，最低壓力為4 000 Pa。在平行流場燃料電池內(nèi)部，反應(yīng)最高壓力數(shù)值為452 538 Pa，最低壓力為1 713 Pa(見圖11)。在蛇形流場燃料電池內(nèi)部的平均壓力相較于平行流場的平均壓力要低很多，由于蛇形流場的反應(yīng)流體整體流速高，多余反應(yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)水能夠有效地排出，所以平均壓力較低，整體壓力分布從進口到出口逐漸降低。在平行流場燃料電池中，由于流道內(nèi)部的反應(yīng)流體和反應(yīng)流體產(chǎn)物整體流速較低，平行流場各個流道平行排列且緊密，流體的流動容易產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，因此整體流場的壓力水平偏高。

圖10 蛇形流場壓力云圖Fig.10 Pressure nephogram of serpentine flow field

圖11 平行流場壓力云圖Fig.11 Pressure nephogram of parallel flow field

在平行流場中，由于反應(yīng)的進行，反應(yīng)氣體不斷消耗，壓力從進口到出口逐漸平穩(wěn)降低，呈階梯狀分布。平行流場反應(yīng)流體分布不均，導(dǎo)致通道靠近入口端反應(yīng)氣體的壓力較大，靠近出口端反應(yīng)流體壓力較小。但由于流道長度相比于蛇形流場短，流道的壓力損失比蛇形流場小，使電流密度分布均勻，能夠讓電化學反應(yīng)更穩(wěn)定地進行。

6 結(jié)論

通過仿真和對比圖像結(jié)果，對兩種不同流道分布方式的質(zhì)子交換膜燃料電池的性能進行分析，得出如下結(jié)論：

1)平行流場流道長度短，反應(yīng)壓降小，但反應(yīng)流體流動速度在靠近進出口處和流道內(nèi)差異較大，使流體分布不均，供氣量不足。內(nèi)部流體難以順暢流動，造成水淹現(xiàn)象，降低燃料電池性能。

2)蛇形流場流道長度長，反應(yīng)壓降大，反應(yīng)流體流速較高而且速度分布均勻，能夠快速排出反應(yīng)生成的液態(tài)水，避免水淹現(xiàn)象。但由于流道長度過長，使得從進口到出口的壓力損失增大，且隨著反應(yīng)物的消耗，從進口到出口反應(yīng)物的濃度逐漸降低，造成電流密度的分布不均勻，不利于燃料電池的整體性能發(fā)揮。