陳 奔, 劉英杰

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院, 湖北 武漢 430070)

21世紀(jì)以來,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種前景廣闊的傳統(tǒng)能源替代品受到廣泛關(guān)注.因其具有功率密度高、轉(zhuǎn)換效率高、噪聲低、啟動時(shí)間短、工作溫度低及零排放等突出的特性,使PEMFC成為眾多移動輔助應(yīng)用電源、新能源汽車和固定能源設(shè)備的理想選擇.當(dāng)前PEMFC技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要包括電池系統(tǒng)中的水熱管理問題以及催化劑材料的成本、可靠性、氫氣生產(chǎn)和儲存等技術(shù)問題[1].

對于電池運(yùn)行過程中出現(xiàn)的水熱管理問題,目前已有很多相關(guān)報(bào)道[2].PEMFC系統(tǒng)必須確保優(yōu)質(zhì)的水管理效能,尤其是在高電流密度下,反應(yīng)物的供應(yīng)量和液態(tài)水的生成量顯著增加[3],此時(shí)積水會阻塞陰極的催化層和氣體擴(kuò)散層,阻礙對反應(yīng)位置的氧氣供應(yīng),影響燃料電池的正常運(yùn)行,電池性能顯著降低.熱管理是PEMFC的另一個(gè)重要問題,燃料電池的性能與水熱管理密切相關(guān).電池溫度過高會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的脫水,導(dǎo)電性能下降,降低電池性能[4],局部溫度過高還會形成熱點(diǎn),可能會造成對膜的損傷,降低電池壽命.

為了增強(qiáng)傳質(zhì)性能和水管理效能,可以從膜電極材料、雙極板設(shè)計(jì)、進(jìn)氣和加濕方式等多方面進(jìn)行改進(jìn),如更換傳質(zhì)性能更佳的質(zhì)子交換膜,提高催化層上碳負(fù)載鉑的穩(wěn)定性,使用孔隙率更高的氣體擴(kuò)散層(GDL)等[5].這類改進(jìn)更多地與質(zhì)子交換膜和催化劑材料的發(fā)展程度相關(guān).從運(yùn)行條件入手,根據(jù)相應(yīng)的運(yùn)行工況來調(diào)整氣體供應(yīng)量的“可變進(jìn)氣入口”設(shè)置,改變進(jìn)氣方式或加濕方式[6].在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,采用對流場或流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,多數(shù)研究是在目前已有的流場上做出改進(jìn).文獻(xiàn)[7]仿真了內(nèi)置矩形凸臺的流道,電流密度比普通流道提升4.0%～6.5%.文獻(xiàn)[8]研究了矩形、圓形和梯形凸臺,發(fā)現(xiàn)梯形凸臺在凈功率密度方面改善最大.文獻(xiàn)[9]發(fā)現(xiàn)在幾種不同的梯形凸臺角度中,最佳角度為45°.綜上,在流道內(nèi)設(shè)置凸臺能夠顯著提升傳質(zhì)性能.

由于陰極側(cè)傳質(zhì)效應(yīng)對電池的影響明顯高于陽極側(cè)[10],因而對陰極側(cè)進(jìn)行增強(qiáng)傳質(zhì)性能的設(shè)計(jì)尤為重要.為了提高陰極側(cè)傳質(zhì)性能,同時(shí)有效改善水管理效能,本研究中,通過在流道內(nèi)設(shè)置新型凸臺形成截流流道,用以改善反應(yīng)物的分布,最大限度地將反應(yīng)氣體分配到氣體擴(kuò)散層中,提高催化層內(nèi)參與反應(yīng)的氣體濃度,同時(shí)增強(qiáng)流道排水能力,避免水淹現(xiàn)象.此外,該流道能將壓降保持在合理范圍內(nèi),防止產(chǎn)生過大的寄生功耗對電池凈功率造成負(fù)面影響,進(jìn)而提高燃料電池的綜合性能.

1 計(jì)算模型及方程

1.1 幾何模型

本課題組基于三維單流道模型進(jìn)行仿真分析,設(shè)計(jì)了一種添加新型三維凸臺的截流流道.圖1為PEMFC直流道和添加了所設(shè)計(jì)的三維凸臺截流流道模型,并以直流道模型作為基準(zhǔn)對比對象,研究截流流道內(nèi)部截流單元的不同設(shè)計(jì)對于電池傳質(zhì)性能以及水熱管理效能的影響.

圖1 直流道和截流流道示意圖

圖2為模型1-4陰極側(cè)面及1個(gè)截流周期的剖視圖.表1為不同模型截流周期特征長度及截流單元數(shù)量.模型1為直流道.模型2為凸臺均勻排布截流流道,其截流單元均勻排布,即新型凸臺之間的間距相同,考慮到流道下游電池運(yùn)行生成的水以及從上游帶來的水分累積,下游區(qū)域需要更強(qiáng)的水管理效能來滿足更大的排水需求.且下游位置的氣體由于反應(yīng)的進(jìn)行,氣體量減少,因而下游區(qū)域需要具有更好的傳質(zhì)性能來滿足反應(yīng)對氣體量的需求.因此,模型3為下游凸臺加密截流流道,將流道分成上游和下游兩段,增加了上游的非截流長度,減少下游截流單元之間非截流長度,即截流單元的數(shù)目保持不變,減少上游的截流單元,增加下游的截流單元,考察其對水和氣體的分布以及電池整體性能產(chǎn)生的影響.模型4為全局凸臺加密截流流道,在模型3的基礎(chǔ)上維持下游非截流長度不變,將上游的非截流長度縮小至和下游相同,即增加流道的截流單元數(shù)量,研究截流單元加密且均勻布置對電池性能的影響.

表1 不同模型截流周期特征長度及截流單元數(shù)量

圖2 模型陰極側(cè)面及截流單元剖視圖

流道入口截面為正方形,邊長l1為1.0 mm,流道的整體長度均為50.0 mm,流道底面與極板底面間距d1為1.0 mm,兩側(cè)的肋寬為0.5 mm.非截流長度l2是2個(gè)截流單元間未設(shè)置截流區(qū)域的長度,截流區(qū)域的新型凸臺由3個(gè)傾斜角均為45°的梯形凸臺組合而成,分布于極板底面和兩側(cè)肋面上,梯形凸臺的底面邊長l3為1.0 mm,頂面為正方形,邊長l4為0.4 mm.每個(gè)截流單元中凸臺的頂面平行于各自流道頂面,距離d2為0.3 mm.不同模型的區(qū)別主要在于非截流長度和截流單元數(shù)量的不同.

模型運(yùn)行參數(shù)中,操作壓力為101 325 Pa,操作溫度為353 K,模型參數(shù)擴(kuò)散層、微孔層和催化層的孔隙率分別為0.78、0.60和0.20,陽極過量系數(shù)為1.5,陰極過量系數(shù)為2.0,電池活性面積為1 cm2,開路電壓為1.05 V.

1.2 數(shù)學(xué)模型

PEMFC運(yùn)行過程是一個(gè)動態(tài)的電化學(xué)反應(yīng)過程,伴隨著氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散、流體的流動、水在電池內(nèi)的傳輸、電子的轉(zhuǎn)移等,這些現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)影響,需要用詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型來描述電池的工作過程.PEMFC內(nèi)部的反應(yīng)主要包括陽極氧化反應(yīng)和陰極還原反應(yīng),反應(yīng)過程中伴隨著能量的釋放與轉(zhuǎn)換、物質(zhì)的消耗與生成,這些過程可用質(zhì)量、動量、組分、能量和電流的守恒模型以及電化學(xué)反應(yīng)模型等數(shù)學(xué)模型來描述[11].

質(zhì)量守恒方程如下:

·(ερu)=Sm,

(1)

式中:ρ為密度;u為速度;ε為孔隙率;Sm為質(zhì)量源項(xiàng),不同計(jì)算區(qū)域的質(zhì)量源項(xiàng)不同.在流道、擴(kuò)散層和微孔層中Sm=0.催化層陽極的質(zhì)量源項(xiàng)Sma和陰極中的質(zhì)量源項(xiàng)Smc分別為

(2)

(3)

式中:M為摩爾質(zhì)量;F為法拉第常數(shù);Ran和Rcat分別為陽極和陰極的交換電流密度,計(jì)算式如下:

(4)

(5)

動量守恒方程如下:

·(ερuu)=-εp+·(εμu)+Su,

(6)

式中:p為壓力;μ為黏度;Su為動量源項(xiàng).在多孔層中忽略對流加速和擴(kuò)散,滲透率為K,應(yīng)用Darcy定律,Su可表示為

(7)

能量守恒方程如下:

·(ερcpuT)=·(keffT)+SQ,

(8)

式中:cp為比定壓熱容;keff為有效導(dǎo)熱系數(shù);SQ為能量源項(xiàng).

組分守恒方程如下:

(9)

(10)

(11)

(12)

電流守恒方程如下:

·(σsφs)+Rs=0,

(13)

·(σmφm)+Rm=0,

(14)

式中:σ為電導(dǎo)率;φ為電勢;Rs和Rm分別為電子和質(zhì)子的電流源項(xiàng),二者計(jì)算式分別如下:

Rs=-Ran,Rm=+Ran(陽極側(cè));Rs=+Rcat,Rm=-Rcat(陰極側(cè)).

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用3種不同數(shù)量的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對直流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其數(shù)量分別為142 000、355 000和820 000個(gè);0.5 V條件下,電流密度分別為1.993 6、1.994 4和2.004 6 A/cm2;與網(wǎng)格數(shù)量為355 000個(gè)的模型相比,其他兩種網(wǎng)格數(shù)量的模型計(jì)算結(jié)果偏差分別為0.04%和0.50%.可認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于等于355 000個(gè)時(shí),模型計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān).為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確,同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間,選用網(wǎng)格數(shù)量為355 000個(gè)的模型作為計(jì)算模型.

2 計(jì)算結(jié)果對比

2.1 模型性能比較

極化曲線是評價(jià)PEMFC反應(yīng)所產(chǎn)生電流大小的指標(biāo),主要用于評判一個(gè)電池性能的好壞.從極化曲線可以看出新型截流流道相對于直流道性能的變化,圖3為不同模型的極化曲線和凈功率曲線對比,其中虛線為極化曲線,實(shí)線為凈功率曲線.

圖3 不同模型極化曲線和凈功率曲線對比

由圖3可知,相比于直流道,截流流道在高電流密度區(qū)域的性能顯著提升.高電流密度區(qū)域?yàn)閭髻|(zhì)受限區(qū),在0.3 V條件下,模型1、2、3和4的電流密度分別為2.625、3.370、3.391和3.330 A/cm2.相對于直流道,截流流道電流密度最大可提升29.2%左右,其中模型3在高電流密度區(qū)域的提升最大,其次為模型2.模型4在3種截流流道中性能略差.結(jié)果表明新型凸臺的存在有利于在高電流密度下有效提升電池的傳質(zhì)性能.其中在流道下游加密凸臺分布的模型3性能最好,全局加密的模型4性能相比未加密的模型2性能反而有所下降,表明流道下游加密能夠在傳質(zhì)受限區(qū)有效提升傳質(zhì)性能,但是上游加密則并不能改善傳質(zhì)性能,反而會導(dǎo)致電池性能略有下降.

2.2 凈功率比較

在實(shí)際燃料電池運(yùn)行過程中,空壓機(jī)向燃料電池供給氣體時(shí)需要耗費(fèi)一部分額外功率,這部分額外功率可以視為燃料電池輸出總功率的寄生功率損耗.當(dāng)流道內(nèi)設(shè)置了凸臺,必然會帶來更高的壓降,為了克服這部分壓降的影響,保持出口壓力一致,需要在氣體入口提供一個(gè)額外的進(jìn)氣壓力,這部分壓力所需要的泵氣功率會產(chǎn)生更大的寄生功耗.

由圖3中極化曲線得到的輸出功率密度可以稱為燃料電池的毛功率密度.空壓機(jī)產(chǎn)生的額外寄生功率密度稱為燃料電池的泵氣功率密度.二者之差即為凈功率密度,表示燃料電池能夠向外做的有用功[12].寄生功耗可以通過公式計(jì)算,即

(15)

式中:Wpara是寄生功耗,W;qm,gas為氣體的質(zhì)量流量,kg/s;pin和patm分別是陰極的入口絕對壓力和大氣壓力,Pa;k是空氣的絕熱指數(shù),可認(rèn)為近似等于1.4.

在燃料電池汽車中大部分空壓機(jī)采用的是雙螺桿旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī),其等熵系數(shù)約為0.7,寄生功耗需要除以等熵系數(shù),才能計(jì)算出實(shí)際寄生功耗[13].泵氣損失由流道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定,尤其是從單流道拓展到整個(gè)流場時(shí),泵氣損失造成的影響更加顯著.由于功耗取決于反應(yīng)面積,因此需要計(jì)算單位面積上的凈功率,以提供一個(gè)更為準(zhǔn)確的評判標(biāo)準(zhǔn).模型1、2、3和4的最大凈功率密度分別為0.992、1.104、1.108和1.096 W/cm2.本研究中的3種截流流道最大凈功率密度相比直流道提升約10.5%～11.7%,模型3的最大凈功率密度最大,模型4最小,表明在下游對凸臺做局部加密的處理相對于其他兩種方案,能在高電流密度下有效提升電池的凈功率密度.

2.3 水氣分布比較

取不同的截面,分別觀察水和氣體的分布狀況,判斷截流流道相對于直流道的水氣分布變化.取陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層(GDL)中間截面,得到氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布情況,如圖4所示.

圖4 不同模型GDL中間截面的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布情況

由圖4可知:相較于直流道,在各截流流道GDL截面上的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)在其上游段和下游段均有明顯的增加,表明該新型凸臺能夠明顯提高GDL中氧氣摩爾分?jǐn)?shù),提升反應(yīng)氣體從流道向GDL的擴(kuò)散能力,改善傳質(zhì)性能;在上游區(qū)域,模型2的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)最高,模型3比模型2和4略低,這是由于模型3上游的非截流長度較長,凸臺間距較大,減弱了凸臺對氣體傳質(zhì)性能的影響;整體加密的模型4摩爾分?jǐn)?shù)比模型3高,但比模型2低,說明凸臺數(shù)目的增加不一定能帶來傳質(zhì)性能的提升,因?yàn)橥古_數(shù)目過多會帶來壓降和局部流速的大幅變化,對氣體擴(kuò)散造成影響,減弱傳質(zhì)性能;截流流道截面上,除了中間流道區(qū)域的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)明顯增加,在流道兩側(cè)肋下對流區(qū)域的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)同樣有所增加,尤其是在上游更為明顯.表明凸臺能在膜電極厚度方向提高氣體傳質(zhì)性能,能增加氣體的肋下對流效果,不僅能夠改善氣體分布,還能夠進(jìn)一步提高氣體反應(yīng)面積,提高電池性能.

陰極催化層與微孔層的接觸截面上水摩爾分?jǐn)?shù)分布情況,如圖5所示.

圖5 不同模型催化層表面截面的水摩爾分?jǐn)?shù)分布情況

由圖5可知,截流流道內(nèi)水摩爾分?jǐn)?shù)相較于直流道有明顯減少,說明在流道內(nèi)添加凸臺的設(shè)計(jì)能夠降低催化層表面的水含量;上游入口段中,模型3的水摩爾分?jǐn)?shù)降低效果略差于模型2,主要原因?yàn)榉墙亓鏖L度變長,減弱了凸臺對排水的影響.模型4因?yàn)橛凶钚〉姆墙亓鏖L度,因而沿流動方向上效果最佳,在垂直于流動方向的橫向延伸方向上的效果則不如模型2;在下游區(qū)域,依然是加密的模型4效果最佳,因其凸臺數(shù)量最多,整體流速相比其他流道更高,模型3的效果好于模型2,說明在下游區(qū)域加密凸臺能夠提升下游段的排水能力.

取一條在陰極GDL中心沿氣體流動方向的直線,根據(jù)這條線上的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)繪制成一條曲線,橫坐標(biāo)為點(diǎn)到入口的距離,如圖6所示,觀察氧氣在不同模型GDL中沿流動方向的分布情況.

圖6 不同模型GDL中流向上氧氣摩爾分?jǐn)?shù)變化的曲線

由圖6可知:在截流流道內(nèi)GDL中沿流向的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)產(chǎn)生了波動,在凸臺存在的位置氣體摩爾分?jǐn)?shù)明顯增大,表明凸臺能夠顯著增加從流道進(jìn)入GDL中的氣體,增強(qiáng)在膜電極厚度方向上的傳質(zhì)性能;在模型3上游部分,非截流長度較大時(shí),在截流單元內(nèi)氧氣摩爾分?jǐn)?shù)波動幅度變大;模型4中,非截流長度減少,凸臺排布變得密集,波動幅度變小,這是因?yàn)橥古_排布密集,沒有足夠長的非截流區(qū)域使流動狀態(tài)恢復(fù),流動受到凸臺的影響會減弱,曲線波動幅度減小.在上游區(qū)域,模型2與模型4的氣體摩爾分?jǐn)?shù)接近,且略高于模型3.在下游區(qū)域,模型3氣體摩爾分?jǐn)?shù)明顯高于模型2和模型4,表明下游加密能夠顯著增加局部氧氣摩爾分?jǐn)?shù).模型4整體的氣體摩爾分?jǐn)?shù)均低于模型2,表明增加凸臺的數(shù)量不一定能帶來傳質(zhì)性能的提升.在整個(gè)流道內(nèi),上游部分氣體摩爾分?jǐn)?shù)均較高,有著更好的傳質(zhì)能力;在流道下游部分,由于反應(yīng)的進(jìn)行消耗了一定的氣體,且水分堆積在下游,因此下游段傳質(zhì)問題會更加明顯,需要增加更多的氣體來提升傳質(zhì)性能.為此,在下游局部加密凸臺可以有針對性地提升局部的水氣管理效能,提高凸臺對電池帶來的正向效果.

2.4 有效傳質(zhì)系數(shù)

為了評價(jià)不同流道的傳質(zhì)性能,除了利用水和氣體分布的云圖來定性分析,以及利用極化曲線和凈功率定量分析外,還可以定義e為有效傳質(zhì)系數(shù),用以評判凸臺對于傳質(zhì)性能提升的幅度.有效傳質(zhì)系數(shù)和參與電化學(xué)反應(yīng)的氣體質(zhì)量相關(guān),可以直觀反映氣體輸運(yùn)能力,即反應(yīng)氣體在質(zhì)子交換膜法向的速度分量與反應(yīng)氣體濃度梯度的乘積[14]:

(16)

繪制的不同模型有效傳質(zhì)系數(shù)曲線如圖7所示.由圖7可知:直流道模型1的有效傳質(zhì)系數(shù)最小,截流流道的有效傳質(zhì)系數(shù)相對于直流道有明顯提升;模型3有效傳質(zhì)系數(shù)最高,模型2略高于模型4,說明下游局部加密凸臺對傳質(zhì)性能的提升幅度最大;在相同的工作電壓下,模型3的有效傳質(zhì)系數(shù)相較于模型1增加了50.2%～100.7%.

圖7 不同模型的有效傳質(zhì)系數(shù)變化曲線

3 結(jié) 論

1) 添加新型凸臺結(jié)構(gòu)的截流流道能提高陰極擴(kuò)散層中的氧氣摩爾分?jǐn)?shù),提高傳質(zhì)性能,降低陰極催化層表面的水摩爾分?jǐn)?shù),改善水管理效能.

2) 截流流道能大幅度提高低電壓負(fù)載時(shí)的電流密度,提高電池最大凈功率和有效傳質(zhì)系數(shù).

3) 通過在流道下游局部加密凸臺布置,能夠進(jìn)一步提高流道下游段的氧氣摩爾分?jǐn)?shù),更好改善下游區(qū)域傳質(zhì)性能及水管理效能,提高整體凈功率和有效傳質(zhì)系數(shù).但是,凸臺數(shù)目過多將會導(dǎo)致傳質(zhì)性能及水管理效能變差,降低電池的凈功率及有效傳質(zhì)系數(shù).

4) 相比于整體設(shè)計(jì),在PEMFC流道下游區(qū)域做出針對性的局部設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的效果更佳,能夠有效增強(qiáng)傳質(zhì)受限區(qū)的綜合性能,為電池的流道設(shè)計(jì)提供了新的思路.