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        流道凸臺(tái)對氫燃料電池發(fā)電性能提升路徑研究*

        2022-05-04 12:11:24郭朋彥康王冠
        汽車電器 2022年4期
        關(guān)鍵詞:流道傳質(zhì)陰極

        郭朋彥,冉 朝,秦 飛,任 赟,康王冠

        (1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045;2.河南省新能源車輛熱流電化學(xué)系統(tǒng)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450045)

        隨著環(huán)境污染、能源危機(jī)的不斷加劇,氫能這一清潔無污染的人類社會(huì)“終極能源”被認(rèn)為是解決環(huán)境與能源問題的必由之路。

        質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將氫氣、氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電和水的電化學(xué)裝置,由于其功率密度高、工作溫度低、噪聲小、啟動(dòng)快、幾乎零排放等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有前途的發(fā)電技術(shù)之一,已被應(yīng)用于許多領(lǐng)域,如汽車工業(yè)等。然而,目前仍有許多問題阻礙其進(jìn)一步發(fā)展和廣泛的商業(yè)化,如成本高、壽命短和發(fā)電性能較差等。

        為了解決這些問題,合理地設(shè)計(jì)雙極板流場進(jìn)而提高燃料電池輸出功率密度十分重要。許多學(xué)者對燃料電池雙極板進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化,其中關(guān)于擋板或凸臺(tái)的研究逐漸成為熱點(diǎn)。Heidary等人研究了凸臺(tái)完全堵塞和部分堵塞對傳質(zhì)效果的影響,研究結(jié)果表明:完全堵塞使得氣體只能從擴(kuò)散層躍過凸臺(tái),強(qiáng)化了傳質(zhì)效果,提升了發(fā)電性能。Arasy等人在仿生流場中加入擋板并對流場進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明擋板的存在使得氧氣分布更加均勻,功率密度提高了18%。Cai等人受到墨魚鰭的啟發(fā),開發(fā)了一種仿生波浪狀凸臺(tái),通過對其振幅和周期的優(yōu)化發(fā)現(xiàn)最優(yōu)波形可提升2.2%的發(fā)電性能。大量的研究表明,流道內(nèi)凸臺(tái)可以增強(qiáng)燃料電池的傳質(zhì)效果,提升燃料電池的發(fā)電性能,然而關(guān)于凸臺(tái)形狀對燃料電池性能提升效果的研究仍然較少。

        本文通過數(shù)值模擬的方法,建立了帶有不同形狀凸臺(tái)的燃料電池三維模型,研究了凸臺(tái)形狀對燃料電池傳質(zhì)和發(fā)電性能的影響。

        1 模型描述

        1.1 幾何模型

        本文建立的燃料電池模型尺寸為50×3×4.7338mm,主要包括陰/陽極雙極板、流道、擴(kuò)散層、催化層及質(zhì)子交換膜9個(gè)部分,如圖1所示。其中,流道長度為50mm,寬度為3mm,流道寬度和深度均為1mm。在平滑流道的基礎(chǔ)上分別增加截面形狀為半圓、梯形和矩形的凸臺(tái),如圖2所示,其中為流道深度,凸臺(tái)的最大深度0.75mm,長度=1.5mm,=0.5mm,凸臺(tái)的寬為1mm,其余尺寸及操作參數(shù)見表1。

        圖1 燃料電池幾何模型

        圖2 不同結(jié)構(gòu)的燃料電池流道模型

        表1 模型幾何尺寸及操作條件

        1.2 模型假設(shè)

        為了保證模擬的準(zhǔn)確性,做出以下假設(shè)。

        1)電池處于穩(wěn)態(tài)、等溫的運(yùn)行狀態(tài)。

        2)涉及氣體均為理想氣體,不可壓縮。

        3)氣體擴(kuò)散層、催化層和膜化學(xué)性質(zhì)均勻。

        1.3 控制方程

        燃料電池模型涉及的控制方程主要包括:質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程、組分守恒方程、電流守恒方程以及電化學(xué)守恒方程等。

        1.3.1 質(zhì)量守恒方程

        1.3.2 動(dòng)量守恒方程

        式中:——靜態(tài)壓力;μ——?jiǎng)討B(tài)粘度;——?jiǎng)恿吭错?xiàng)。

        1.3.3 能量守恒方程

        式中:——比熱容;——有效熱導(dǎo)率;——體積源項(xiàng)。

        1.3.4 組分守恒方程

        式中:——組分源項(xiàng);——組分的體積分?jǐn)?shù);——混合物中組分的有效擴(kuò)散系數(shù)。

        1.3.5 電流守恒方程

        上述公式是巴特勒-沃爾默函數(shù)的一般表述。其中,[H]和[O]分別是陽極催化劑層的氫氣濃度和陰極催化劑層的氧氣濃度,[H]和[O]是參考?xì)錃鉂舛群蛥⒖佳鯕鉂舛?,和分別是陽極和陰極體積參考交換電流密度,α和α分別是陽極和陰極轉(zhuǎn)移系數(shù),γ和γ分別是陽極和陰極濃度依賴指數(shù),η和η分別是陽極和陰極過電位。

        2 模型驗(yàn)證

        細(xì)密的網(wǎng)格可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果,但所需要的計(jì)算時(shí)間較長。為了在保證計(jì)算結(jié)果可靠的前提下節(jié)省計(jì)算資源,本文基于平滑流道燃料電池模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果如圖3所示。通過對7種不同網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn):當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到487500時(shí),計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。

        圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證及模型可靠性驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證本文所用模型的可靠性,將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,如圖3所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者能夠較好地?cái)M合,其中數(shù)值模擬中使用的幾何模型、材料特性和操作條件均與實(shí)驗(yàn)保持一致,從而驗(yàn)證了模型具有一定的可靠性。

        圖3 測絕緣時(shí)絕緣表正常顯示數(shù)

        3 結(jié)果與分析

        3.1 電池極化曲線

        極化曲線是評(píng)價(jià)燃料電池發(fā)電性能的重要指標(biāo)。4種不同流道凸臺(tái)燃料電池的極化曲線如圖4所示,燃料電池依次經(jīng)歷了活化極化、歐姆極化和濃差極化,其中造成濃差極化的主要原因是反應(yīng)物的濃度變化。與平滑流道相比,帶有凸臺(tái)的流道顯示出了更好的發(fā)電輸出性能。其中矩形凸臺(tái)流道帶來的性能提升最高,在濃差極化區(qū)的0.3V時(shí),燃料電池輸出電流密度提升了9.87%。輸出電流密度從大到小依次是:矩形凸臺(tái)>梯形凸臺(tái)>半圓形凸臺(tái)>平滑流道。

        圖4 不同流道的燃料電池極化曲線

        3.2 氧氣分布

        燃料電池陰極氧氣的分布是制約燃料電池反應(yīng)速率的重要因素。圖5顯示的是4個(gè)燃料電池在0.5V電壓下陰極擴(kuò)散層和催化層交界面(GDL/CL)的氧氣質(zhì)量分布云圖。從圖5中可以看出,隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,4種流道內(nèi)氧氣質(zhì)量分布從入口到出口逐漸減小。與平滑流道相比,帶有凸臺(tái)的流道內(nèi)部氧氣濃度更高,且在凸臺(tái)附近發(fā)生驟增,從氧氣濃度增強(qiáng)效果而言:矩形凸臺(tái)>梯形凸臺(tái)>半圓形凸臺(tái)。由此可以看出,凸臺(tái)流道內(nèi)具有更高的氧氣分布,而更多的氧氣將直接提高電化學(xué)反應(yīng)的速率,從而提高燃料電池的輸出性能。

        圖5 陰極GDL/CL交界面質(zhì)量分布云圖

        3.3 流動(dòng)分析

        圖6為4個(gè)燃料電池陰極流道內(nèi)的速度流線圖,從中可以觀察到,氣體流經(jīng)凸臺(tái)時(shí)速度增加,凸臺(tái)的存在使得氣體流道的流通面積發(fā)生驟變,打破了氣體平穩(wěn)流動(dòng)的狀態(tài),迫使氧氣向擴(kuò)散層的方向傳輸,并促進(jìn)了氧氣向雙極板脊下擴(kuò)散,從而增強(qiáng)了氧氣的傳質(zhì)效果。

        圖6 不同流道內(nèi)速度流線圖

        3.4 壓力分析

        流道內(nèi)的壓力分布如圖7所示,從圖7中可知,平滑流道內(nèi)部壓力均勻降低,而帶有凸臺(tái)的流道壓力呈現(xiàn)階梯狀降低趨勢,這是由于凸臺(tái)的存在部分堵塞了流道,增加了氧氣向后的流通阻力,使得凸臺(tái)前后形成了一定的壓力梯度,而較大的壓力促進(jìn)氧氣更易擴(kuò)散進(jìn)入催化層;且進(jìn)出口壓差最大的是矩形凸臺(tái)流道,其壓降達(dá)到了321Pa,之后依次是梯形凸臺(tái)流道和半圓凸臺(tái)流道。由此可見,較大的壓降提升了燃料電池內(nèi)部傳質(zhì)效果,獲得了更好的氧氣分布,從而提高燃料電池的發(fā)電性能。

        圖7 不同流道內(nèi)的壓力分布

        4 結(jié)論

        本文通過在流道中加入不同截面形狀的凸臺(tái),研究了凸臺(tái)及其形狀對燃料電池性能的影響,通過分析燃料電池極化曲線、氧氣分布、氣體流速以及流道壓力,發(fā)現(xiàn)凸臺(tái)部分堵塞了氣體流道,改變了反應(yīng)氣體傳輸路徑,同時(shí)造成流道內(nèi)壓強(qiáng)升高,進(jìn)而促進(jìn)了更多反應(yīng)氣擴(kuò)散入催化層,而最終提升了燃料電池的發(fā)電性能。

        1)與平滑流道相比,帶有凸臺(tái)的流道燃料電池具有更好的發(fā)電輸出性能,其中矩形凸臺(tái)流道性能提升最多。

        2)凸臺(tái)的存在提升了擴(kuò)散入催化層氧氣的質(zhì)量分布,即改善了催化層的氧氣分布,尤其是在凸臺(tái)附近較為明顯,從而提升了電池的發(fā)電性能。

        3)凸臺(tái)使氣體流道的流通面積發(fā)生驟變,迫使氧氣向擴(kuò)散層的方向傳輸,并向雙極板脊下擴(kuò)散,從而提高了凸臺(tái)流道的氧氣分布。

        4)凸臺(tái)部分堵塞流道,增加了氧氣的流道阻力和進(jìn)出口壓降,進(jìn)而迫使更多的氧氣擴(kuò)散入催化層,進(jìn)一步提升了凸臺(tái)流道的氧氣分布。

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