孫 峰，蘇丹丹，2，殷宇捷

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071002；2.河北省新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)輕量化技術(shù)創(chuàng)新中心，保定 071000）

質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）是一種將反應(yīng)氣體中的電化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)，具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可靠性高、排放低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。雙極板是PEMFC 的關(guān)鍵部件之一，起到機(jī)械支撐、傳導(dǎo)電流以及分配反應(yīng)氣體等作用[3-4]。雙極板兩側(cè)刻有陰陽(yáng)極流場(chǎng)，流場(chǎng)中的流道結(jié)構(gòu)是反應(yīng)氣體的流動(dòng)通路[5]。因此，合理的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)改善PEMFC的傳質(zhì)特性及輸出性能至關(guān)重要[6-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在流道內(nèi)添加擋板可有效強(qiáng)化反應(yīng)氣體的傳輸效果，降低由濃差極化造成的電壓損失，提升PEMFC 輸出性能[8-10]。Ghanbarian 等[11]研究了矩形、圓形和梯形擋板對(duì)PEMFC 性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在流道內(nèi)添加梯形擋板能有效提高PEMFC 的凈功率密度。Lin 等[12]對(duì)擋板尺寸與形狀對(duì)PEMFC 輸出性能及傳質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與無(wú)擋板流道相比，在流道內(nèi)添加矩形擋板時(shí)PEMFC 性能提高了30%。此外，當(dāng)擋板形狀為半橢圓或1/4 橢圓時(shí)，能有效增大氧氣的擴(kuò)散面積，Liu 等[13]設(shè)計(jì)了一種新型鰭狀擋板，研究發(fā)現(xiàn)，在流道內(nèi)添加新型鰭狀擋板可提高氣體擴(kuò)散層表面液滴的去除效率；Zhang 等[14]提出了一種楔形擋板，并研究了楔形擋板體積對(duì)PEMFC 性能的影響，結(jié)果表明：在流道內(nèi)添加楔形擋板能有效提升PEMFC 性能；增加楔形擋板體積，降低了陰極通道出口區(qū)域的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改善了PEMFC 的排水效果，提高了PEMFC 功率密度的增長(zhǎng)速率；Yin 等[15]研究了矩形擋板的數(shù)量及高度對(duì)PEMFC輸出功率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)矩形擋板數(shù)量為5、高度占流道高度80%時(shí)，PEMFC 凈輸出功率比無(wú)擋板流道提高了9.39%。Wang 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)梯形擋板在單直流道內(nèi)采用交錯(cuò)分布時(shí)，與采用平行分布相比，強(qiáng)化了反應(yīng)氣體的傳質(zhì)效果，PEMFC 最大凈功率提高了2.54%。Wang 等[17]研究了三蛇形流場(chǎng)中矩形擋板的排列方式對(duì)PEMFC 性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在靠近流場(chǎng)出口區(qū)域添加矩形擋板，可提高擴(kuò)散層與催化層界面處的反應(yīng)物氣體濃度分布均勻性，并且在整個(gè)蛇形流場(chǎng)中添加擋板時(shí)，PEMFC 電流密度最大。

由上述研究可知，擋板的形狀及擋板在流道內(nèi)的排列分布方式對(duì)對(duì)強(qiáng)化反應(yīng)氣體傳質(zhì)及提升PEMFC 輸出性能具有顯著作用，不同的擋板結(jié)構(gòu)對(duì)PEMFC 性能的影響存在差異。而且常規(guī)擋板容易導(dǎo)致反應(yīng)氣體流動(dòng)阻力過(guò)大，并在擋板后方產(chǎn)生渦流。本文提出了一種流線型擋板，利用流線型迎風(fēng)面以及流線形背風(fēng)面，可以有效減小反應(yīng)氣體流動(dòng)阻力，并消除擋板后方的渦流。此外，研究了流線型擋板的背風(fēng)面長(zhǎng)度對(duì)直流道內(nèi)氧氣流速及氧氣通量的影響。最后，分析了流線型擋板的在平行流場(chǎng)中的分布方式（平行分布與交錯(cuò)分布）對(duì)流場(chǎng)內(nèi)氧氣壓力分布、擴(kuò)散層中氧氣濃度分布以及極化曲線的影響。

1 PEMFC 模型

1.1 幾何模型

建立了包含陰陽(yáng)極流道、擴(kuò)散層、催化層及質(zhì)子交換膜的三維PEMFC 直流道模型，如圖1（a）所示。在直流道內(nèi)添加矩形擋板（圖1（b）），研究了矩形擋板對(duì)PEMFC 性能的影響。

圖1 PEMFC 直流道幾何模型Fig.1 Geometric model of straight flow channel in PEMFC

通過(guò)分析氧氣在矩形擋板附近的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)矩形擋板進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了如圖2 所示的流線型擋板，并通過(guò)改變R3及γ 得到具有背風(fēng)面長(zhǎng)度為L(zhǎng)t的流線型擋板，具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

圖2 流線型擋板示意Fig.2 Schematic of streamlined baffles

表1 流線型擋板設(shè)計(jì)方案Tab.1 Design schemes for streamlined baffles

最后建立了平行流場(chǎng)幾何模型，如圖3 所示。具有10 條直流道的平行流場(chǎng)模型，如圖3（a）所示。在平行流場(chǎng)每條流道中添加4 個(gè)流線型擋板，設(shè)計(jì)了2 種具有不同擋板分布方式的平行流場(chǎng)，其中，圖3（b）為流線型擋板在平行流場(chǎng)中采用平行分布的PEMFC 模型，圖3（c）為流線型擋板在平行流場(chǎng)中采用交錯(cuò)分布的PEMFC 模型。

圖3 平行流場(chǎng)幾何模型Fig.3 Geometric model of parallel flow fields

PEMFC 模型的幾何參數(shù)與操作條件見(jiàn)表2。

表2 PEMFC 模型的幾何參數(shù)及操作條件Tab.2 Geometric parameters and operating conditions of PEMFC model

1.2 模型假設(shè)

本文做出如下假設(shè)：①PEMFC 穩(wěn)定運(yùn)行；②模型內(nèi)為單相流動(dòng)；③反應(yīng)氣體為理想氣體；④反應(yīng)氣體流動(dòng)為層流；⑤多孔介質(zhì)材料為各向同性。

1.3 控制方程

質(zhì)量守恒方程為

式中：ε 為孔隙率；ρ 為氣體密度，kg/m3；u 為氣體速度矢量，m/s；Sm為質(zhì)量源項(xiàng)，kg/（m·s）。

動(dòng)量守恒方程為

式中：p 為反應(yīng)氣體壓強(qiáng)，Pa；μ 為反應(yīng)氣體動(dòng)力粘性系數(shù)，N·s/m3；Su為動(dòng)量源項(xiàng)，N/m3。

能量守恒方程為

式中：cp為定壓比熱容，J/（kg·K）；keff為有效熱導(dǎo)率，W/（m·K）；SQ為能量源項(xiàng)，W/m3；T 為反應(yīng)溫度，K。

組分守恒方程為

式中：ck為組分濃度，kg/m3；Di為組分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Si為組分源項(xiàng)，kg/（m·s）。

電化學(xué)方程為

式中：iref，a為陽(yáng)極體積參考交換電流密度，A/m2；iref，c為陰極體積參考交換電流密度，A/m2；pH2、pO2、pH2O分別為氫氣、氧氣和水蒸汽壓強(qiáng)，Pa；pref為參考?jí)簭?qiáng)，Pa；αa、αc分別為陽(yáng)極和陰極傳遞系數(shù)；ηa、ηc分別為陽(yáng)極和陰極活化過(guò)電壓，V；R 為理想氣體常數(shù)，J/（mol·K）；F為法拉第常數(shù)，C/mol。

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建模仿真方法的可行性，建立了與文獻(xiàn)[18-19]尺寸相同的直流道PEEMFC 模型，并采用相同的操作條件對(duì)極化曲線進(jìn)行了仿真計(jì)算，極化曲線對(duì)比如圖4 所示。

由圖4 可知，本文仿真的極化曲線與文獻(xiàn)[18-19]結(jié)果的吻合度較高。最大誤差出現(xiàn)在工作電壓為0.6 V 時(shí)，本文仿真的電流密度為1.263 A·cm-2，文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為1.181 A·cm-2，誤差為6%，滿足仿真計(jì)算的精度要求。以上分析，驗(yàn)證了本次建模仿真方法的可行性。

圖4 模型驗(yàn)證Fig.4 Model validation

2 結(jié)果與討論

首先，通過(guò)在PEMFC 陰極直流道內(nèi)分別添加單個(gè)矩形擋板、流線型擋板A、流線型擋板B 以及流線型擋板C，分析擋板形狀對(duì)流道內(nèi)氧氣流速分布、流道與擴(kuò)散層接觸截面處氧氣總通量的影響。其次，在平行流場(chǎng)的陰極流道內(nèi)添加流線型擋板C，研究擋板在平行流場(chǎng)中的分布方式對(duì)氧氣壓力分布、氧氣濃度分布以及極化曲線的影響。

2.1 流線型擋板對(duì)直流道PEMFC 性能影響

2.1.1 氧氣流速分布

圖5 為工作電壓為0.5 V、在流道內(nèi)添加不同形狀擋板時(shí)的氧氣流速對(duì)比。

圖5 直流道內(nèi)氧氣流速分布Fig.5 Oxygen flow velocity distribution in straight flow channels

由圖5（a）可知，當(dāng)流道內(nèi)無(wú)擋板時(shí)，氧氣流動(dòng)速度分布均勻性較好。由圖5（b）可知，在流道內(nèi)添加矩形擋板后，氧氣流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。氧氣受到矩形擋板的阻礙作用，向擋板下方傳輸，擋板下方流速增加。此外，由圖5（b）可知，氧氣流經(jīng)矩形擋板時(shí)，在擋板后方產(chǎn)生渦流區(qū)域。由圖5（c）、（d）、（e）可知，在流道內(nèi)添加流線型后，擋板后方的渦流區(qū)域面積明顯減小。其中在流道內(nèi)添加流線型擋板C 時(shí)，擋板后方渦流最小，這說(shuō)明增加流線型擋板的背風(fēng)面長(zhǎng)度，有利于減小渦流區(qū)域的面積。

2.1.2 氧氣總通量曲線

圖6 為工作電壓為0.5 V 時(shí)流道與擴(kuò)散層接觸界面處的氧氣總通量曲線。

圖6 擴(kuò)散層中氧氣總通量曲線Fig.6 Curves of total oxygen flux in gas diffusion layer

由圖6 可知，當(dāng)流道內(nèi)無(wú)擋板時(shí)，流道與擴(kuò)散層接觸界面處的氧氣總通量先提高后降低。在流道內(nèi)添加擋板后，氧氣總通量在擋板下方顯著提高。當(dāng)流道內(nèi)無(wú)擋板以及添加的擋板形狀為矩形、流線型A、流線型B、流線型C 時(shí)，在流道長(zhǎng)度L=21 mm處，氧氣的總通量分別為0.168 8、0.364 3、0.367 7、0.370 0、0.371 0 kg/（m2·s）。由此可知，在陰極流道內(nèi)添加的擋板可有效促進(jìn)氧氣由流道向擴(kuò)散層的質(zhì)量傳輸，并且在4 種擋板類型中，流線型擋板C 對(duì)氧氣質(zhì)量傳輸?shù)膹?qiáng)化效果最佳。

2.1.3 PEMFC 極化曲線

圖7 為流道內(nèi)添加不同形狀擋板后PEMFC 極化曲線對(duì)比。由圖7 可知，在流道內(nèi)添加擋板能提升PEMFC 輸出性能。

圖7 流道內(nèi)添加不同形狀擋板時(shí)的極化曲線Fig.7 Polarization curves when baffles of different shapes are added to flow channels

當(dāng)工作電壓等于0.2 V 時(shí)，無(wú)擋板流道的PEMFC 電流密度為1.595 0 A·cm-2。當(dāng)流道內(nèi)添加形狀為矩形、流線型擋板A、流線型擋板B 以及流線型擋板C 時(shí)，PEMFC 電流密度分別為1.630 1、1.631 2、1.633 3、1.634 7 A·cm-2。由此可知，PEMFC輸出性能隨流線型擋板背風(fēng)面長(zhǎng)度的增加而提高。與無(wú)擋板流道相比，當(dāng)流道內(nèi)添加流線型擋板C時(shí)，PEMFC 電流密度提高了2.5%。

2.2 擋板分布對(duì)平行流場(chǎng)PEMFC 性能影響

2.2.1 氧氣壓力分布

圖8 為工作電壓為0.5 V 時(shí)具有不同擋板分布方式的平行流場(chǎng)中的氧氣壓力對(duì)比。由圖8 可知，當(dāng)平行流場(chǎng)中無(wú)擋板時(shí)，每條直流道中的氧氣壓力從入口到出口逐漸降低。當(dāng)平行流場(chǎng)中添加流線型擋板后，反應(yīng)氣體的流動(dòng)阻力民明顯增大，平行流場(chǎng)中的氧氣壓力下降，且在流線型擋板處氧氣壓力明顯下降。此外，由圖8（b）與（c）可知，與平行分布相比，在流線型擋板交錯(cuò)分布的平行流場(chǎng)中氧氣壓降更高。這是由于在交錯(cuò)分布時(shí)，部分流線型擋板與直流道的氣體入口距離更小，對(duì)氧氣的阻礙效果更強(qiáng)，流場(chǎng)內(nèi)較大的壓降有利于促進(jìn)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散[20]。

圖8 平行流場(chǎng)內(nèi)氧氣壓力分布Fig.8 Oxygen pressure distribution in parallel flow fields

2.2.2 氧氣濃度分布

圖9 為工作電壓為0.5 V 時(shí)3 種平行流場(chǎng)的催化層中氧氣濃度分布。

由圖9（a）可知，當(dāng)平行流場(chǎng)中無(wú)擋板時(shí)，由于電化學(xué)的反應(yīng)進(jìn)行，氧氣不斷被消耗，氧氣濃度沿氣體流動(dòng)方向均勻降低。此外，在無(wú)擋板平行流場(chǎng)中，氧氣濃度在肋板對(duì)應(yīng)區(qū)域幾乎為0。由圖9（b）與（c）可知，在平行流場(chǎng)中添加流線型擋板后，在擋板對(duì)應(yīng)的催化層區(qū)域，產(chǎn)生氧氣聚集區(qū)，并且肋板對(duì)應(yīng)區(qū)域中的氧氣濃度得到提高。除此之外，當(dāng)流線型擋板采用交錯(cuò)分布時(shí)，催化層中的氧氣聚集區(qū)呈點(diǎn)陣狀分布，且整體氧氣濃度更高。

圖9 催化層中氧氣濃度分布Fig.9 Oxygen concentration distribution in catalytic layer

2.2.3 PEMFC 極化曲線

圖10 為3 種不同平行流場(chǎng)的極化曲線對(duì)比。

圖10 無(wú)擋板及具有不同擋板分布方式的平行流場(chǎng)的極化曲線Fig.10 Polarization curves of parallel flow fields without baffles and with baffles in different distributions

由圖10 可知，與常規(guī)平行流場(chǎng)相比，在流道內(nèi)添加流線型擋板有助于改善PEMFC 輸出性能。在常規(guī)平行流場(chǎng)中，當(dāng)工作電壓等于0.2 V 時(shí)，PEMFC 電流密度為1.735 9 A·cm-2。當(dāng)流線型擋板分別采用平行分布及交錯(cuò)分布時(shí)，PEMFC 的電流密度分別為1.781 5、1.793 9 A·cm-2。由此可知，流線型擋板在平行流場(chǎng)中采用交錯(cuò)分布更有助于改善PEMFC 性能。與常規(guī)平行流場(chǎng)相比，采用交錯(cuò)分布的平行流場(chǎng)其電流密度提高了3.4%。

3 結(jié)論

本文提出了一種新型流線型擋板，并與矩形擋板進(jìn)行對(duì)比，分析了流線型擋板的背風(fēng)面長(zhǎng)度對(duì)PEMFC 性能的影響。最后通過(guò)在平行流場(chǎng)中添加流線型擋板，研究了擋板分布方式對(duì)氧氣壓力與濃度分布以及極化曲線的影響，結(jié)論如下。

（1）直流道內(nèi)添加流線型擋板，有助于減小擋板后方的渦流區(qū)域面積，且渦流面積隨流線型擋板背風(fēng)面長(zhǎng)度的增加而減小。此外，在流道內(nèi)添加擋板可明顯增大擴(kuò)散層中的氧氣通量，并顯著改善PEMFC 性能。當(dāng)工作電壓為0.2 V 時(shí)，與無(wú)擋板流道相比，在流道內(nèi)添加流線型擋板C 后，PEMFC 電流密度提高了2.5%。

（2）與平行流場(chǎng)相比，在流場(chǎng)內(nèi)添加擋板增大了反應(yīng)氣體壓降，并提高了催化層中的氧氣濃度。當(dāng)擋板采用交錯(cuò)分布時(shí)，與平行分布相比，流場(chǎng)中的氧氣壓降更高，催化層中的氧氣濃度呈點(diǎn)陣狀分布，且整體氧氣濃度得到提高。

（3）平行流場(chǎng)中添加流線型擋板可改善PEMFC 輸出性能。當(dāng)工作電壓為0.2 V 時(shí)，與常規(guī)平行流場(chǎng)相比，在平行流場(chǎng)中添加流線型擋板C 且采用交錯(cuò)分布時(shí)，PEMFC 電流密度提高了3.4%。

（4）與常規(guī)擋板結(jié)構(gòu)相比，流線型擋板減小了反應(yīng)氣體的流動(dòng)阻力，消除了擋板后方的渦流現(xiàn)象。但與常規(guī)擋板相比，流線型擋板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求較高。因此，流道結(jié)構(gòu)-制作工藝-輸出性能一體化是未來(lái)PEMFC 發(fā)展和應(yīng)用需要克服的一大難題。