收稿日期：2021-12-30

基金項(xiàng)目：海南省自然科學(xué)基金（521RC492；520RC540）；海南省教育廳項(xiàng)目（Hnkyzc2022-3）

通信作者：付麗榮（1986—），女，博士、講師，主要從事燃料電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化及傳輸機(jī)理方面的研究。993560@hainanu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1608 文章編號：0254-0096（2023）05-0074-06

摘 要：該文提出一種帶有拓展區(qū)域的新型PEMFC流道，拓展區(qū)域長度分別設(shè)計(jì)為1、2和4 mm。采用COMSOL軟件建立三維等溫穩(wěn)態(tài)模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：新型拓展流道PEMFC性能均優(yōu)于傳統(tǒng)直流道PEMFC，其最佳拓展長度為2 mm。在高電流密度下，拓展流道使氧氣分布更加均勻，提升水的去除能力。當(dāng)取最佳拓展長度時(shí)，增加拓展區(qū)域數(shù)量能進(jìn)一步提升燃料電池性能，與傳統(tǒng)直流道相比，雙拓展區(qū)域的流道使PEMFC峰值功率密度提高了18.44%。

關(guān)鍵詞：氫能；質(zhì)子交換膜燃料電池；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬；拓展流道

中圖分類號：TM911.48" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ木G色發(fā)電裝置，它具有高能效、低排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)［1］。傳統(tǒng)的PEMFC在高電流密度情況下存在陰極水淹、質(zhì)量傳遞效果差等現(xiàn)象［2］。雙極板是PEMFC的重要組成部件，它將反應(yīng)物均勻地輸送到電極上，并負(fù)責(zé)促進(jìn)液態(tài)水及熱量的去除。目前，PEMFC常用流道類型主要有直流道、蛇形流道、平行流道和叉指流道。直流道由于易于制造、成本低而被大量用于動(dòng)力工業(yè)。合理的流道設(shè)計(jì)可明顯改善PEMFC堆棧的輸出功率［3］，有效解決其在高電流密度下的水淹問題。HT（高溫）-PEMFC由于其較高的運(yùn)行溫度范圍，消除了LT（低溫）-PEMFC所引起的部分水管理問題，此外，其更好的CO耐受性、更高的反應(yīng)效率、熱利用率等優(yōu)勢，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。本文相關(guān)研究基于HT-PEMFC。

目前，研究者們對流場進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善PEMFC性能。Rahimi-Esbo等［4］建立7個(gè)不同流場的三維模型，以研究流道與肋寬比例對PEMFC性能的影響，結(jié)果表明適當(dāng)減小肋寬有助于增強(qiáng)傳質(zhì)。Mahmoudimehr等［5］研究了陰極通道橫截面積對PEMFC性能的影響，結(jié)果表明PEMFC運(yùn)行時(shí)的濕度與溫度是決定最佳橫截面積的重要條件。謝啟真等［6］對具有不同夾角的葉脈仿生流道進(jìn)行了仿真研究，研究結(jié)果顯示在一定范圍內(nèi)增大夾角可以有效增強(qiáng)反應(yīng)物分布均勻性。Ebrahimzadeh等［7］研究了在流場內(nèi)增加障礙物對PEMFC性能產(chǎn)生的影響，研究發(fā)現(xiàn)，橫截面為矩形障礙物的流道產(chǎn)生了最高的電流密度。李子君等［8］對波浪流道PEMFC進(jìn)行模擬及實(shí)驗(yàn)研究，證明了波浪流道能引起反應(yīng)氣體強(qiáng)制對流，增強(qiáng)PEMFC的傳質(zhì)傳熱效果，在電壓為0.4 V時(shí)，電流密度提升了13.45%。何良等［9］設(shè)計(jì)了一系列S型流場并研究了其關(guān)鍵參數(shù)對電池性能的影響，結(jié)果顯示S型流場提升了15%的峰值功率密度。

綜上，對流場的幾何形狀及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)還有待改進(jìn)之處，如縮小肋寬能有效提高燃料電池性能，但會影響雙極板的機(jī)械性能。在流道中添加障礙物，采用波浪形狀的流道等，由于阻擋了反應(yīng)氣體通路而造成了較大的壓降，這引起了額外的寄生功率。為了解決這些問題，在傳統(tǒng)直流道基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，本文提出一種新型拓展流道，利用COMSOL Multiphysics軟件建立三維等溫穩(wěn)態(tài)模型，并分析新型拓展流道對HT-PEMFC（以下簡稱為PEMFC）輸出性能、氧氣分布、電流密度、水濃度分布的影響。根據(jù)仿真結(jié)果對拓展流道的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定其最佳拓展長度后，探究拓展區(qū)域數(shù)量對電池性能的影響。

1 模型描述

1.1 流道設(shè)計(jì)

本文模型均在COMSOL Multiphysics軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖1所示，幾何模型的主要部件有陰極和陽極流道、氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，GDL）、催化劑層（多孔電極）、質(zhì)子交換膜，各部件幾何參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)由表1列出。拓寬的流道能增加反應(yīng)物與GDL間的接觸面積并增強(qiáng)GDL中的除水性能，有效降低電壓損耗，此外，為避免過度削弱極板機(jī)械

性能，陰極拓展流道對部分流道區(qū)域進(jìn)行拓展，且圓弧狀內(nèi)壁面有利于增強(qiáng)氣體流速，并幫助排水。主要的設(shè)計(jì)參數(shù)包括拓展長度（[Le]）和拓展深度（[h]），為了探究拓展結(jié)構(gòu)對PEMFC性能的影響，本文設(shè)計(jì)了3種不同尺寸的陰極拓展流道（[Le=1、2、4] mm）與傳統(tǒng)陰極直流道進(jìn)行對比分析。

1.2 模型假設(shè)及邊界條件

為簡化系統(tǒng)組分，對模型進(jìn)行如下假設(shè)：

1） 模型在等溫、穩(wěn)態(tài)條件下模擬。

2） 所有多孔介質(zhì)為均勻且各向同性。

3） 流道中的氣體流動(dòng)為層流不可壓縮狀態(tài)。

4） 反應(yīng)氣體滿足理想氣體定律。

對模型的邊界條件設(shè)置如下：流道入口設(shè)定流入狀態(tài)為層流流入；流道出口處設(shè)定流體流出，并設(shè)置了壓力邊界；為了保證本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于平行流道、蛇形及其他類型的流道，對GDL及催化劑層的側(cè)邊界設(shè)置為對稱邊界條件；對于其余壁面均設(shè)置為絕緣、零通量及無滑移條件。

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，將單電池模型模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［11］中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。如圖2所示，模型仿真所得極化曲線與實(shí)驗(yàn)所得極化曲線吻合較好，故該模型在本文工作中是可靠的，證明了模型的有效性。

3 結(jié)果分析

3.1 拓展長度對電池性能的影響

圖3為直流道和3種拓展流道（[Le=1、2、4] mm）的極化曲線和功率密度曲線，可看出3種拓展流道均顯示出比傳統(tǒng)直流道更好的性能。在低電流密度區(qū)域，電化學(xué)反應(yīng)對反應(yīng)氣體的消耗量較少，極化曲線間的差異較小。在高電流密度區(qū)域，極化曲線間的差異更為突出，3種拓展流道顯示出不同的性能。與傳統(tǒng)直流道相比，拓展長度為1 mm的流道對電池性能未產(chǎn)生較大影響，然而隨著拓展長度增加，電流密度明顯增強(qiáng)。

隨著拓展長度由2 mm增至4 mm，并未觀察到電池性能的進(jìn)一步優(yōu)化，甚至在某些電壓下對電池性能產(chǎn)生了負(fù)面影響，這是由于過大的拓展區(qū)域減弱了反應(yīng)氣體在流道內(nèi)的物質(zhì)傳遞。故2 mm為本文設(shè)計(jì)的最佳拓展長度，隨著該值的增加，將對帶有陰極拓展流道的PEMFC性能產(chǎn)生不利影響。

在0.4 V的工作電壓下，帶有2 mm拓展長度的拓展流道與傳統(tǒng)直流道的電池功率密度分別為0.412 W/cm2和0.364 W/cm2，比傳統(tǒng)直流道PEMFC增加了13.21%。新型流道增加了單位電池的有效面積，帶來了更高的電流和功率密度。

3.2 拓展長度對氧氣傳輸?shù)挠绊?/p>

圖4為電壓為0.4 V時(shí)，傳統(tǒng)直流道和帶有不同拓展長度[Le]的陰極流道PEMFC在陰極催化劑層與膜交界面上的氧氣摩爾濃度分布情況。由圖4可知，所有流道中氧氣摩爾濃度都是沿入口到出口逐漸減少的，這是由于電化學(xué)反應(yīng)引起的氧氣消耗所致。此外，帶有拓展流道的氧氣摩爾濃度分布都與傳統(tǒng)直流道PEMFC呈曲線狀分布不同，在拓展區(qū)域內(nèi)的氧氣分布明顯優(yōu)于傳統(tǒng)直流道PEMFC。

圖5為2種流道在[X]軸方向上的氣體速度。由圖5可看出，在拓展流道中，氣體速度產(chǎn)生了較大突變，這是由于拓展區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式造成的，較高的氣體速度增強(qiáng)了反應(yīng)氣體在流道內(nèi)的擴(kuò)散效應(yīng)，特別是在流道寬度方向上。相比之下，傳統(tǒng)直流道內(nèi)在[X]軸方向上幾乎無速度通量，反應(yīng)氣體在流道內(nèi)僅靠濃度梯度進(jìn)行傳質(zhì)，這揭示了氧氣摩爾濃度在拓展流道中比傳統(tǒng)直流道的分布均勻性更強(qiáng)的原因。

通過對比3種拓展流道的氧氣分布情況顯示，在[Le=2 mm]的PEMFC催化劑-膜交界面上，氧氣的存在率最高。其與傳統(tǒng)直流道表面平均摩爾濃度分別為2.185 mol/m3和2.069 mol/m3，提升率為5.61%。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)直流道相比，拓展流道促進(jìn)了反應(yīng)氣體的物質(zhì)傳遞效率，特別是在電池寬度方向上氧氣分布均勻性明顯增強(qiáng)，隨著更多的氧氣存在于催化劑層上，催化層反應(yīng)速率得到提升。

3.3 拓展長度對電流密度的影響

圖6為電壓為0.4 V時(shí)，傳統(tǒng)直流道和3種拓展長度的流道PEMFC在質(zhì)子交換膜中間層上的電流密度分布情況。由圖6可知，電流密度從入口到出口是逐漸降低的，這與陰極側(cè)氧氣濃度分布相對應(yīng)。在寬度方向上，GDL層所造成的歐姆電壓降導(dǎo)致靠近通道兩側(cè)的電流密度高于靠近通道中心位置的電流密度。結(jié)果顯示，帶有拓展流道的PEMFC放電電流密度均高于傳統(tǒng)直流道PEMFC，這是由于拓展區(qū)域的引入，更多的反應(yīng)氣體參與了電化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)更加充分。

3種拓展流道的膜上電流密度分別為9467、10301、10098 A/m2，其帶有2 mm拓展長度的流道PEMFC產(chǎn)生了最大電流密度。因此，新型拓展流道可有效提高PEMFC的放電電流密度，提升燃料電池的輸出功率。此外，值得注意的是，拓展區(qū)域的引入會出現(xiàn)局部電流密度較低的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會隨拓展長度的增加而加劇。當(dāng)[Le=2 mm]時(shí)，與拓展區(qū)域帶來的電流密度增加相比，較小的局部電流密度降低可忽略，但當(dāng)[Le=4 mm]時(shí)，較大的局部電流密度降低造成流道內(nèi)的電流密度分布不均，從而造成質(zhì)子交換膜上熱應(yīng)力的集中，影響質(zhì)子交換膜的使用壽命。故較大的拓展長度是不可取的。

3.4 拓展長度對水傳輸?shù)挠绊?/p>

圖7為電壓為0.4 V時(shí)，傳統(tǒng)直流道PEMFC和帶有不同拓展長度的拓展流道PEMFC在陰極GDL中間層上的水摩爾濃度分布情況。由圖7可看出，所有流道的水濃度從入口到出口都是逐漸增加的，這是由于消耗氧氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)而生成水以及入口的反應(yīng)氣體的吹掃作用使其向出口運(yùn)動(dòng)，在此過程中，運(yùn)動(dòng)的水與流道中部及后部的水相聚集使得除水困難。所有拓展流道PEMFC都呈現(xiàn)出比傳統(tǒng)直流道PEMFC更均勻的水濃度分布，這是由于拓展區(qū)域的存在減弱了流道內(nèi)水的聚集過程，使得拓展區(qū)域內(nèi)的水摩爾濃度較小，且弧壯結(jié)構(gòu)對水的運(yùn)動(dòng)具有一定的導(dǎo)向作用，更易于水的去除。

圖8為流道拓展長度分別為1、2和4 mm的PEMFC在陰極GDL的水摩爾濃度曲線。由圖8圖可知，3種陰極拓展流道在拓展區(qū)域內(nèi)的水濃度都較低，帶有2 mm拓展長度的流道具有最好的綜合除水性能，表明拓展流道設(shè)計(jì)能有效增強(qiáng)PEMFC水的去除能力。

3.5 拓展區(qū)域數(shù)量對電池性能的影響

選取拓展長度2 mm為基準(zhǔn)，分析拓展區(qū)域數(shù)量對電池性能的影響，圖9為帶有1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)拓展區(qū)域（分別命名為單拓展、雙拓展、三拓展）流道的極化曲線及功率密度曲線，由圖9可知，電池性能隨拓展區(qū)域數(shù)量的增加而增強(qiáng)，從單拓展增加到雙拓展，電池性能得到了明顯提升，這是由于

設(shè)置于流道前、后段的拓展區(qū)域相比于僅在中段的拓展區(qū)域發(fā)揮了更佳的傳質(zhì)增強(qiáng)作用，反應(yīng)氣體在流道寬度方向上分布的更加均勻，增強(qiáng)了電化學(xué)反應(yīng)，從而提升了燃料電池性能。然而，進(jìn)一步增加至三拓展流道，并沒有帶來明顯的性能提升。此外，拓展區(qū)域的存在削弱了流場板的支撐能力，設(shè)置過多的拓展區(qū)域?qū)O板的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。

圖10為電壓為0.4 V時(shí)3種拓展區(qū)域數(shù)量流道陰極催化劑層與膜交界面的氧氣摩爾濃度分布情況。由圖10可知，雙拓展和三拓展流道在靠近出口的后半段有更多的氧氣含量和更均勻的氧氣濃度分布，這是由增加的拓展區(qū)域引起的，這提高了電化學(xué)反應(yīng)效率及質(zhì)子交換膜的利用率。相比于雙拓展，三拓展流道并未明顯增強(qiáng)反應(yīng)氣體分布，流道前、后段的氧氣濃度有所減小，但中部的氧氣濃度有所增加，這減小了沿流向的反應(yīng)氣體濃度梯度，流向方向上的反應(yīng)氣體分布均勻性略有增強(qiáng)，這揭示了三拓展流道PEMFC在的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了輸出雙拓展流道PEMFC在的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了輸出性能的原因，從單拓展到雙拓展流道及雙拓展到三拓展流道的PEMFC功率密度提升率分別為5.23%和1.03% 。結(jié)果表明，增加拓展區(qū)域數(shù)量能有效提升燃料電池性能且提升率隨拓展區(qū)域數(shù)量的增加而減小，考慮到性能提升率及對極板機(jī)械性能的影響，雙拓展流道為本文最佳的流道設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)直流道，雙拓展流道使PEMFC峰值功率密度提升了18.44%。

4 結(jié) 論

本文基于直流道HT-PEMFC進(jìn)行了流道優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種新型陰極拓展流道，建立三維、等溫、穩(wěn)態(tài)模型，采用CFD法探究了陰極拓展流道HT-PEMFC的輸出性能、氧氣在催化劑-膜交界面上分布、膜中間層的電流密度分布及水在GDL上的分布情況及變化規(guī)律。通過對比分析得到如下結(jié)論：

1）拓展流道由于拓展區(qū)域的變化結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了傳質(zhì)及改善氧氣在催化劑層-膜交界面上的存在率，提升了平均氧氣濃度，使電化學(xué)反應(yīng)更加充分。

2）拓展流道的拓展區(qū)域減緩流道內(nèi)水的聚集過程，并對水的運(yùn)動(dòng)有導(dǎo)向作用，加強(qiáng)了PEMFC除水能力。

3）本文所設(shè)計(jì)流道的最佳拓展長度為2 mm。電壓為0.4 V時(shí)，與傳統(tǒng)直流道相比，其單拓展流道燃料電池功率密度提升了13.21%。

4）拓展長度[Le]為2 mm時(shí)，雙拓展、三拓展流道的性能提升率隨拓展區(qū)域數(shù)量的增加而減小。雙拓展流道為最佳設(shè)計(jì)，其帶來了5.23%的額外功率密度提升，相較于傳統(tǒng)直流道，總的提升率為18.44%。

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MASS TRANSFER SIMULATION AND PERFORMANCE STUDY OF

PEMFC WITH NEW EXTENDED FLOW CHANNEL

Wu Shengwei，F(xiàn)u Lirong，Liu Weifeng，Zhang Xiaosong，Liu Jinyi，Gong Penghua

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract：A new flow channel with an extended area is proposed in this paper. The length of the extended area is 1， 2， and 4 mm， respectively. A three-dimensional isothermal steady-state model is established by COMSOL software. The results demonstrate that the performance of PEMFC with the novel flow channel is superior to that with the traditional straight channel. And the optimal extended length is 2 mm. At high current density， the extended channel can contribute to more uniform oxygen distribution and improve the removal of water. Increasing the number of extended areas after determining the optimal extended length will enhance fuel cell performance even more. The channel with double extended regions can increase the peak power density of PEMFC by 18.44% when compared to the traditional straight channel.

Keywords：hydrogen energy； PEMFC； optimal design； numerical simulation； extend flow channel