（江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

胡翀，趙袁，RAZA Ali，陳代芬*

0 引言

近年來，新能源汽車已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)掀起了熱潮，廣泛地出現(xiàn)在人們的生活中，而新能源汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別是使用了清潔能源，并且新能源汽車最重要的是其動(dòng)力來源，這是新能源汽車驅(qū)動(dòng)和保障的關(guān)鍵。新能源汽車常常采用電池作為其動(dòng)力源，因此，以氫氣為燃料的燃料電池受到了廣泛關(guān)注。氫能不僅來源廣泛，而且利用過程產(chǎn)生的生成物水沒有污染，同時(shí)氫氣熱值較高，很可能取代汽油等能源。燃料電池包含的種類很多，主要有質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和磷酸鹽燃料電池［1-3］。其中PEMFC 相對(duì)其他燃料電池有發(fā)電效率較高、使用壽命相對(duì)較長、工作溫度低的優(yōu)點(diǎn)，在100 ℃以下進(jìn)行工作，適用于日常的生活生產(chǎn)，尤其受到汽車行業(yè)的青睞。如何提高PEMFC 的綜合性能，使其能成為可靠的動(dòng)力源成為研究熱點(diǎn)。

燃料電池的結(jié)構(gòu)與其性能息息相關(guān)，目前國內(nèi)外改變PEMFC 的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以優(yōu)化PEMFC 的設(shè)計(jì)主要有改變流道尺寸、流道截面形狀、流道數(shù)量以及增設(shè)擋板等。文獻(xiàn)［4］提出一種模仿豬籠草特殊的鴨嘴形的微腔結(jié)構(gòu)應(yīng)用于PEMFC流場(chǎng)中，并進(jìn)行數(shù)值模擬研究，與其他幾種類似的流道進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明新型豬籠草結(jié)構(gòu)流場(chǎng)不僅能夠有效提高PEMFC 性能，還能加強(qiáng)陰極流道的排水能力。文獻(xiàn)［5］通過改變3蛇形流道的高度和頂部底部的寬度，利用非支配排序的多目標(biāo)遺傳算法和數(shù)值模擬結(jié)合的方法對(duì)PEMFC流道尺寸進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明最優(yōu)流道為一種梯形流道。文獻(xiàn)［6］用數(shù)值模擬的辦法分析比較了3種不同流道數(shù)量的PEMFC 蛇形流場(chǎng)，研究了不同數(shù)量的流道對(duì)反應(yīng)組分分布的影響。結(jié)果表明隨著流道數(shù)量增加，組分分布更均勻，電化學(xué)反應(yīng)更加充分。文獻(xiàn)［7］對(duì)現(xiàn)有的常規(guī)流道和新型流道進(jìn)行總結(jié)分析，探明了流道尺寸和擋板位置等對(duì)增強(qiáng)PEMFC性能的影響。文獻(xiàn)［8］通過仿真模擬研究了氫氧流道的相對(duì)位置和進(jìn)口位置對(duì)PEMFC的影響。文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的蛇形流場(chǎng)，證明帶有U 型彎的蛇形流道有效提高了排水能力。

合理的流道結(jié)構(gòu)極大限度上影響著PEMFC 的性能，目前已有的研究大部分是基于單層電池結(jié)構(gòu)，但考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)，新能源汽車使用的都是成型電堆。燃料電池堆是將數(shù)個(gè)單層電池以堆疊的方式進(jìn)行組裝，對(duì)于每層單電池相同的進(jìn)口和出口，采用同一根豎直管道進(jìn)行供氣、排氣和排水，產(chǎn)生的電流通過每層單電池的電極板正負(fù)極串聯(lián)起來，以達(dá)到所需功率。在單層電池結(jié)構(gòu)時(shí)有著提升綜合性能效果的優(yōu)化設(shè)計(jì)，由豎直流道集中進(jìn)行供氣、排氣和排水時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否適用，在電堆層面下的效果未知。

對(duì)此，本文基于蛇形流場(chǎng)提出一種新型的流場(chǎng)改進(jìn)方案，并利用ANSYS 軟件對(duì)應(yīng)用該流場(chǎng)的單電池PEMFC電堆進(jìn)行三維多物理場(chǎng)建模和分析評(píng)價(jià)，為提高PEMFC綜合性能提供思路。

1 PEMFC幾何模型

1.1 組成結(jié)構(gòu)

PEMFC 主要由質(zhì)子交換膜（PEM）、催化層（CL）、擴(kuò)散層（GDL）和雙極板（BP）組成［10］，如圖1所示。

圖1 PEMFC組成結(jié)構(gòu)示意［11］Fig.1 Composition and structure of a PEMFC［11］

PEM 層是一種能夠傳導(dǎo)質(zhì)子，也就是氫離子的聚合物薄膜，具有選擇透過性，將燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)拆分為2個(gè)半反應(yīng)，分別在電池陰陽極發(fā)生。

CL是電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，通常由電催化劑和離聚物組成，由碳載鉑基催化劑構(gòu)成。GDL 一方面收集電流，另一方面有助于氣體在電池內(nèi)部擴(kuò)散，與CL結(jié)合能提高催化效率［12］。

BP 的主要作用是保障反應(yīng)氣體在電池內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，BP 內(nèi)部有凹槽即流道可供反應(yīng)氣體通過，并將多個(gè)單電池區(qū)分，用于連接不同的單電池從而構(gòu)成電堆。

1.2 流道

當(dāng)反應(yīng)氣體進(jìn)入傳統(tǒng)平行流場(chǎng)PEMFC內(nèi)部，分散于多個(gè)平行直流流道中，總是存在反應(yīng)氣體分布不均的問題。有學(xué)者為了解決這一問題，提出了一種單流道蛇形流場(chǎng)，如圖2a所示。迫使反應(yīng)氣體全部集中于一條流道中，避免了平行流道中部分流道反應(yīng)氣體不足，而部分流道反應(yīng)氣體過多的問題。蛇形流道可以視為將多個(gè)平行流道的串聯(lián)。單流道蛇形流場(chǎng)同樣存在不足，盡管避免了氣體的分散，但是在單流道中，反應(yīng)物容易集中在入口處，沿著管道濃度逐漸降低，并且過長的反應(yīng)路徑，同樣存在著一定程度上的組分分布不均問題，因此可以將蛇形流道作為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保留其將反應(yīng)物充分反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，消除高壓降帶來的多余損耗，保證反應(yīng)分布均勻。為此，提出一種3流道并帶有3個(gè)進(jìn)氣口的蛇形流道，流道之間相互串行，并能互相補(bǔ)償反應(yīng)氣體，如圖2b所示。

圖2 PEMFC流場(chǎng)示意Fig.2 Flow field of a PEMFC

1.3 幾何尺寸及參數(shù)

利用ANSYS 進(jìn)行仿真模擬時(shí)，需要精確的模型尺寸和計(jì)算參數(shù)，經(jīng)過比對(duì)，選擇較為適合的尺寸進(jìn)行建模，仿真模擬研究所用參數(shù)見表1、表2［13］。

表1 模型幾何參數(shù)［13］Table 1 Geometric parameters of the model［13］

表2 仿真主要參數(shù)設(shè)置［13］Table 2 Settings of the main parameters of the simulation［13］

2 PEMFC數(shù)學(xué)模型

2.1 工作原理

PEMFC 屬于質(zhì)子型燃料電池，其電解質(zhì)為聚合物薄膜，由氫氣產(chǎn)生的氫離子通過電解質(zhì)膜到陰極與氧氣、電子結(jié)合生成水。其電化學(xué)反應(yīng)方程式為

2.2 控制方程

FLUENT 中PEMFC 模塊為仿真模擬研究提供了極大的便利，涉及的控制方程包括氣態(tài)方程、液態(tài)水方程、溶解態(tài)方程和能量守恒方程等，其中，控制方程總結(jié)見表3。

表3 控制方程Table 3 Governing equation

3 單層PEMFC電堆仿真

3.1 模型驗(yàn)證

利用離散方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于GDL，CL 和PEM 部分較薄，物質(zhì)濃度存在較大的變化梯度，因此需要對(duì)這些部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，采用不同的網(wǎng)格密度進(jìn)行驗(yàn)證，保證仿真結(jié)果不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格的變化而改變，并且取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度可以提高仿真速度，減少計(jì)算量。將模型網(wǎng)格沿著高度方向劃分層數(shù)，網(wǎng)格尺寸保持0.2 mm，取3—6 層共4 組不同的網(wǎng)格密度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證［13］Fig.3 Verification of grid independence［13］

使用上述仿真參數(shù)和方法，對(duì)單層蛇形流道PEMFC模型進(jìn)行仿真，得到I-V曲線，與參考的試驗(yàn)數(shù)據(jù)I-V曲線對(duì)比如圖4 所示。結(jié)果表明仿真曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合，由此可知，利用上述數(shù)據(jù)和方法建立的仿真過程，結(jié)果具有可靠性，并能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單層PEMFC電堆研究，并改變結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 模型驗(yàn)證［13］Fig.4 Model verification［13］

3.2 單層PEMFC堆幾何結(jié)構(gòu)

將前文中單流道蛇形流場(chǎng)和串行補(bǔ)償流場(chǎng)分別設(shè)計(jì)為單層電池堆結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。為了更好地體現(xiàn)改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)帶來的變化，保證2 種模型中陽極蛇形流場(chǎng)不變，陰極分別設(shè)為單流道蛇形流場(chǎng)（圖5a）和串行補(bǔ)償流場(chǎng)（圖5b），對(duì)比不同陰極流場(chǎng)下PEMFC電堆的綜合性能。

圖5 單層PEMFC電堆模型Fig.5 Model of a single-layer PEMFC stack

3.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)上述單層電堆結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真，保證串行補(bǔ)償流場(chǎng)每個(gè)流道的進(jìn)氣量相同，并且總進(jìn)氣量與單流道蛇形流場(chǎng)相同，其他參數(shù)保持一致?？紤]到反應(yīng)主要發(fā)生在多孔介質(zhì)層（即CL和GDL），仿真結(jié)果分別從多孔介質(zhì)層的電流密度分布（如圖6 所示）、氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布（如圖7 所示）、液態(tài)水飽和度分布（如圖8 所示）和速度矢量分布（如圖9 所示）進(jìn)行分析，分布云圖均取自CL 和GDL 的交界處，結(jié)合流道壓力分布（如圖10所示），研究改變流道結(jié)構(gòu)對(duì)流道內(nèi)部壓力分布及電堆綜合性能的影響。

圖6 電流密度分布Fig.6 Distribution of current density

圖7 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Distribution of oxygen mass fraction

圖8 液態(tài)水飽和度分布Fig.8 Distribution of liquid water saturation

圖9 速度矢量分布Fig.9 Distribution of velocity vector

圖10 陰極流道壓力分布Fig.10 Pressure distribution of the cathode channel

由仿真結(jié)果可知，單流道蛇形流場(chǎng)電流密度（圖6a）和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)（圖7a）都集中分布在流道入口處，并隨著流道的深入呈現(xiàn)出越來越小的趨勢(shì)，這反映出單流道蛇形流場(chǎng)的電化學(xué)反應(yīng)主要在入口處進(jìn)行，這樣會(huì)導(dǎo)致熱量集中堆積在入口處。根據(jù)壓力分布（圖10a）可知，入口處壓力較大，當(dāng)PEMFC 構(gòu)成電堆進(jìn)行工作時(shí)，熱量和壓力大量囤積在入口處并不斷堆疊，很容易導(dǎo)致PEMFC結(jié)構(gòu)遭到破壞，影響PEMFC電堆性能。由液態(tài)水飽和度分布（圖8a）和速度矢量分布（圖9a）可知，單流道蛇形流場(chǎng)中，液態(tài)水向出口處遷移的速度在每一條流道中幾乎保持一致，而液態(tài)水隨著管道深入，不斷堆積在管道中，可能會(huì)導(dǎo)致水淹的現(xiàn)象。而串行補(bǔ)償流場(chǎng)中電流密度分布（圖6b）和流道壓力（圖10b）相對(duì)均勻，因此構(gòu)成電堆工作時(shí)，比單流道蛇形流場(chǎng)更具有穩(wěn)定性。由氧氣質(zhì)量分布（圖7b）可以看出，在不同流道的首尾段，都有氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域，這得益于3流道首尾串行補(bǔ)償反應(yīng)氣體的設(shè)計(jì)，并且速度矢量（圖9b）反映了這些濃度較高的區(qū)域，都有較大的流速，利于氧氣的補(bǔ)充。結(jié)合液態(tài)水飽和度分布（圖8b）可知，在出口處，雖然液態(tài)水飽和度相對(duì)較高，但是出口處同時(shí)具備了高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氧氣和較大的速度矢量，能有效排除液態(tài)水，避免水淹現(xiàn)象。

4 結(jié)論

利用ANSYS 在單層電池電堆層面下，保證陽極采用相同的蛇形流道，對(duì)陰極中單流道蛇形流場(chǎng)和串行補(bǔ)償流場(chǎng)分別進(jìn)行仿真分析。單流道蛇形流場(chǎng)PEMFC電堆有著較好的發(fā)電性能，但其存在較高的壓降，流道出口流速偏小，排水性能較差等問題，入口處的集中反映也容易導(dǎo)致PEMFC 電堆工作時(shí)產(chǎn)生的熱量堆積，使PEMFC結(jié)構(gòu)易受到破壞。而串行補(bǔ)償流場(chǎng)采用3 流道設(shè)計(jì)，并且流道之間互相串行，能夠?qū)?個(gè)不同流道的反應(yīng)物相互進(jìn)行補(bǔ)償，極大地優(yōu)化了PEMFC中組分分布，降低了流道中的壓降，提高了流道出口處的流速，避免了容易積水等問題，還保留了蛇形流道出色的發(fā)電性能。同時(shí)，串行補(bǔ)償流場(chǎng)具有3 個(gè)進(jìn)氣口，改變不同進(jìn)氣口的進(jìn)氣流量占比或許對(duì)PEMFC 也存在影響，為提高PEMFC綜合性能提供了一定的思路。