夏國(guó)棟, 丁榮擴(kuò), 馬丹丹, 張曉亞

(北京工業(yè)大學(xué)強(qiáng)化傳熱與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124)

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力,也是衡量綜合國(guó)力和人民生活水平的重要指標(biāo)。隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)的高速發(fā)展,全世界對(duì)能源的需求日益增加。以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源,排放了大量有害物質(zhì),造成了環(huán)境污染。因此采用高效、清潔、環(huán)境友好的能源利用方式受到廣泛關(guān)注[1-3]。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)可以將化學(xué)能不經(jīng)過(guò)熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?具有比能量高、清潔高效等特點(diǎn),成為取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的有效方法[4-5],同時(shí)也越來(lái)越多地應(yīng)用于發(fā)電站、電子設(shè)備、航空航天器、潛艇等領(lǐng)域[6]。

流道作為PEMFC的核心結(jié)構(gòu)之一,其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸對(duì)反應(yīng)氣體擴(kuò)散、液態(tài)水排出有重要影響。Manso等[7]指出電池性能的好壞很大一部分取決于流道,具體影響因素包括:流道的類(lèi)型、流體流動(dòng)方向、流道的長(zhǎng)度與數(shù)量、流道中添加擋板、流道尺寸等。對(duì)于流道的數(shù)值研究中,建立合適數(shù)學(xué)模型是很有必要的。Dawes等[8]建立三維單相數(shù)學(xué)模型,針對(duì)擴(kuò)散層內(nèi)液態(tài)水運(yùn)輸加入相滲透模型,結(jié)果顯示,對(duì)電池電流密度的預(yù)測(cè)更接近于實(shí)際;Grigoriev等[9]建立以PBI為固體聚合物的高溫燃料電池模型,對(duì)于催化層內(nèi)活性氣體濃度采用均勻模型,而對(duì)于擴(kuò)散層電極電導(dǎo)率采用非均勻模型,結(jié)果表明,流場(chǎng)設(shè)計(jì)必須適應(yīng)氣體擴(kuò)散電極參數(shù);Rostami等[10]針對(duì)蛇形通道,提出三維具有加濕條件的穩(wěn)態(tài)模型,計(jì)算區(qū)域只選擇蛇形通道彎曲部分進(jìn)行研究,簡(jiǎn)化計(jì)算的同時(shí),深入分析彎曲尺寸對(duì)電池性能的影響;Salah等[11]采用格子玻爾茲曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)進(jìn)行數(shù)值模擬,闡明氣體通道內(nèi)液態(tài)水和反應(yīng)氣體的動(dòng)態(tài)流動(dòng),討論最佳通道高度和排水性能,結(jié)果表明當(dāng)液滴流速增大時(shí),淺通道排水性能優(yōu)于深通道。

在針對(duì)三維直通道的數(shù)值研究中,Berning等[12]建立三維等溫模型,研究流道寬度和脊寬比率對(duì)電池性能影響,得出在寬脊比為0.8 mm/1.2 mm比率下,電池性能最佳。Chowdhury等[13]建立三維等溫單相模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,通道寬度和脊寬均為1.0 mm時(shí),電池性能最佳。陳磊等[14]對(duì)三維單通道進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明直通道深度越小,電池性能越好,但是流道深度過(guò)小會(huì)造成壓力損失明顯變大。Wang等[15]建立三維兩相模型,發(fā)現(xiàn)較小的通道尺寸增強(qiáng)液態(tài)水排出,提高電池性能,在通道面積0.535 mm×0.535 mm電池性能最佳。Yoon等[16]建立三維直通道模型,研究了流道脊寬和流道寬度對(duì)電池性能的影響,結(jié)果表明:流道脊寬和流道寬度越小,電池性能越好,且在低電壓下更明顯。張海峰等[17]在對(duì)平行溝槽流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)流溝槽面積較大時(shí),電池性能較差。Cooper等[18]研究平行流場(chǎng)與交叉流場(chǎng)尺寸對(duì)電池性能的影響,以最優(yōu)凈輸出功率為目標(biāo),得出不同流場(chǎng)存在最佳通道尺寸使得凈輸出功率最大。陳超等[19]對(duì)單通道燃料電池模型應(yīng)用Kriging代理模型結(jié)合遺傳算法對(duì)流道寬、流道高和岸寬3個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),研究得出最優(yōu)的流道寬、流道高和岸寬分別為1.50 mm、0.69 mm和0.50 mm,最優(yōu)的流道尺寸為向催化層擴(kuò)散的反應(yīng)氣體提供了更高的壓力。

而對(duì)于蛇形通道電池性能的研究中,Zhang等[20]利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試4個(gè)不同流道寬度的單蛇行流場(chǎng)對(duì)電池性能的影響,結(jié)果表明隨著流道寬度的減小,電池性能提高。Kumar等[21]對(duì)陽(yáng)極單蛇形流場(chǎng)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,得出在流道寬度1.5 mm、脊寬度0.5 mm 以及深度1.5 mm 時(shí)電池性能較好。Liu等[22]對(duì)蛇形通道的寬度和脊寬進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)流道寬度和脊寬越小時(shí)電池性能越好。Chang等[23]研究三徑蛇形通道深度對(duì)電池性能的影響,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)通道深度過(guò)深時(shí),流道內(nèi)流速降低導(dǎo)致傳質(zhì)性能降低,進(jìn)而降低電池性能。由此發(fā)現(xiàn)對(duì)于蛇形流道選取合適的尺寸對(duì)電池性能提高有重要影響,但同時(shí)也要考慮泵功消耗以及液態(tài)水排出等參數(shù)的變化[24]。

本文以單蛇形通道PEMFC為研究對(duì)象,建立三維兩相等溫模型,對(duì)燃料電池內(nèi)氣體傳輸、擴(kuò)散,電荷傳遞過(guò)程進(jìn)行模擬,分析不同流道深度、流道寬度、流道脊寬等參數(shù)對(duì)PEMFC內(nèi)部傳質(zhì)及滲透特性的影響規(guī)律,進(jìn)而得到燃料電池流道變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算區(qū)域

圖1為建立的幾何模型,模型包含陽(yáng)極流道(AC)、擴(kuò)散層(GDL)、微孔層(MPL)、催化層(CL)、質(zhì)子交換膜(MEM)、陰極流道(CC),每個(gè)部分在沿氣體流動(dòng)方向上尺寸一致,幾何參數(shù)如表1所示。

表1 幾何區(qū)域尺寸參數(shù)

圖1 計(jì)算區(qū)域示意Fig.1 Computational domain of present PEMFC

1.2 基本假設(shè)

模型建立考慮了氣體在流道內(nèi)流動(dòng),在擴(kuò)散層、微孔層內(nèi)擴(kuò)散,以及電場(chǎng)耦合問(wèn)題,對(duì)模型做了如下假設(shè):

1) PEMFC處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。

2) 流道內(nèi)的氣體流動(dòng)是低雷諾數(shù)、理想氣體層流和不可壓縮流動(dòng)。

3) 所有氣體不能通過(guò)質(zhì)子交換膜,因此質(zhì)子交換膜對(duì)氫氣和氧氣具有不可滲透性。

4) 為簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略重力效應(yīng)。

5) GDL、MPL 和 CL流體流動(dòng)和擴(kuò)散均為各向同性。

6) 流道中的少量液態(tài)水是分散的水滴。

7) 在GDL、MPL 和 CL內(nèi),物質(zhì)主要以擴(kuò)散的形式進(jìn)行傳輸,擴(kuò)散速度較低,因此不考慮流體流動(dòng)對(duì)傳熱的影響。

8) 不考慮GDL、MPL和CL各層的接觸電阻。

1.3 控制方程

1.3.1 電化學(xué)反應(yīng)方程

利用Bulter-Volmer方程對(duì)陽(yáng)極催化層和陰極催化層產(chǎn)生電流進(jìn)行計(jì)算,其方程為

(1)

(2)

基于歐姆定律,電子和質(zhì)子守恒方程為

(3)

(4)

式中:Sm、Ss分別表示電子電流和質(zhì)子電流的源項(xiàng),在陰極CL中Ss=-ic,Sm=-ic,在陽(yáng)極CL中Ss=-ia,Sm=-ia,其余區(qū)域?yàn)?;σs、σm分別表示電子和質(zhì)子的電導(dǎo)率,S/m。φs、φm分別表示電子和質(zhì)子電勢(shì),V。

1.3.2 質(zhì)量守恒方程

用于描述電池流道、GDL、MPL和CL內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量守恒,質(zhì)量守恒方程為

(5)

(6)

式中:ρg為混合氣體的密度,kg/m3;ug為混合氣體的速度矢量,m/s;wi、wk分別為氣體組分i、k的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Mi、Mk分別為組分i、k的摩爾質(zhì)量,kg/mol。

1.3.3 動(dòng)量守恒方程

基于Brinkman方程用于描述流道、GDL、MPL和CL中物質(zhì)的傳輸過(guò)程,動(dòng)量守恒方程為

(7)

(8)

式中:pg為混合氣體的壓力,Pa;μg為混合氣體動(dòng)力黏度,Pa·s;εeff是多孔層的有效孔隙率;I是單位矩陣;xi為氣體組分i的摩爾分?jǐn)?shù);κ為混合氣體的滲透率;φik為組分i在組分k中的二元體積分?jǐn)?shù)。

1.3.4 組分守恒方程

基于二元擴(kuò)散的Maxwell-Stefan方程描述組分傳輸過(guò)程,組分守恒方程為

(9)

1.3.5 液態(tài)水守恒方程

混合物中水蒸氣分壓力大于其飽和壓力時(shí),氣態(tài)水冷凝成液態(tài)水。相變過(guò)程發(fā)生在流道、擴(kuò)散層、微孔層和催化層內(nèi)。液態(tài)水傳輸方程為

(10)

Dc為液態(tài)水的毛細(xì)擴(kuò)散系數(shù),其表達(dá)式為

(11)

式中:ε0為絕對(duì)孔隙率;κ0為絕對(duì)滲透率,m2;κrg為氣體相對(duì)滲透率,m2;κr1為液體相對(duì)滲透率,m2;ρl為液態(tài)水密度,kg/m3;s為液態(tài)水飽和度;J(s)表示與液態(tài)水飽和度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)方程;θ為固體表面的接觸角;σ為氣液體系的表面張力,N/m;Sv為氣液相變導(dǎo)致的相變?cè)错?xiàng),其表達(dá)式為

(12)

1.3.6 溶解水守恒方程

在催化層和質(zhì)子交換膜內(nèi),質(zhì)子以水合氫離子的形式從氫氣側(cè)催化層移動(dòng)到氧氣側(cè)催化層,以既不同于液態(tài)水又不同于氣態(tài)水的溶解水的形式存在。

(13)

(14)

Smw為溶解水傳輸方程的源項(xiàng),其表達(dá)式為

(15)

(16)

(17)

式中ɑw為水的活度,與水蒸氣分壓力和液態(tài)水含量有關(guān),模型中使用的參數(shù)數(shù)值在表2給出。

1.4 模型有效性驗(yàn)證

圖2為在80 ℃條件下,數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,實(shí)驗(yàn)時(shí)模型尺寸為50 mm×50 mm,其中流道深度1.0 mm,流道寬度0.75 mm,流道脊寬1.0 mm。在高電壓時(shí),模擬值較實(shí)驗(yàn)值高,可能是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段電池溫度存在波動(dòng),影響反應(yīng)物活性,而在低電壓階段,模擬值與實(shí)驗(yàn)值匹配程度較好,誤差較小,從而驗(yàn)證該模型合理有效。

圖2 數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison of simulation and experiment results

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用COMSOL Multiphysic軟件對(duì)模型進(jìn)行求解,建立結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,計(jì)算前對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,在電壓為0.7 V時(shí),電流密度的變化情況如圖3所示。在網(wǎng)格為101.9萬(wàn)時(shí),加密網(wǎng)格,電流密度相對(duì)誤差小于0.5%,即再加密網(wǎng)格數(shù),計(jì)算結(jié)果不會(huì)改變,但將增加計(jì)算成本和運(yùn)行時(shí)間。因此,本結(jié)構(gòu)選取101.9萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)是可靠的,既保證了計(jì)算結(jié)果的精度,又節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。

圖3 0.7 V時(shí)網(wǎng)格量對(duì)電流密度影響Fig.3 Effect of grid amount on current density at 0.7 V

2 結(jié)果分析

2.1 流道深度

由圖4流道深度對(duì)電池極化曲線的影響可以發(fā)現(xiàn),隨著流道深度的減小,電流密度逐漸增大,在不同電位下變化幅度不同,在高電位時(shí)變化較小,而在低電位時(shí)變化較大;在流道寬度從1.2 mm減小到0.8 mm時(shí),電流密度增加較緩,但從0.8 mm減小到0.4 mm時(shí),電流密度顯著增大。

圖4 流道深度對(duì)極化曲線的影響Fig.4 Effects of channel depth on the cell polarization curves

圖5為0.7 V時(shí)MPL與CL交界面氧氣濃度(下方為進(jìn)口處,上方為出口處),可以發(fā)現(xiàn),靠近流道進(jìn)口位置,氧氣聚集在流道入口處能及時(shí)通過(guò)GDL擴(kuò)散到CL表面,導(dǎo)致該位置氣體濃度較高;靠近流道出口位置,流道內(nèi)氧氣濃度降低,擴(kuò)散到CL表面的質(zhì)量減少,導(dǎo)致該位置氣體濃度低。當(dāng)流道深度不斷減小時(shí),交界面處的氧氣濃度不斷提高,這是因?yàn)殡S著流道深度的減小,流道內(nèi)壓力逐漸增大,在壓差的作用下氣體擴(kuò)散速度加快,界面氣體濃度提高,因此提高了反應(yīng)速率,電流密度得以提高。

圖5 0.7 V時(shí)流道深度對(duì)MPL與CL交界面氧氣濃度的影響(下進(jìn)上出)Fig.5 Effect of channel depth on oxygen concentration at the interface between MPL and CL at 0.7 V

進(jìn)出口壓降的增大會(huì)增加泵送反應(yīng)物的動(dòng)力,采用凈輸出功率作為衡量電池性能的指標(biāo)之一,電池凈輸出功率Wnet表達(dá)式為

Wnet=WFC-WP

(18)

WP=ΔP×Ach×uin

(19)

式中:WFC為電池總功率;WP為進(jìn)出口壓降引起的泵功;Ach為流道入口面積;uin為流道入口流速。由圖6流道深度對(duì)電池凈輸出功率影響可以發(fā)現(xiàn),隨著流道深度的減小,電池凈輸出功率逐漸增大,這是因?yàn)檫M(jìn)口氣體流速較小,泵功增加幅度較小,而電池總功率增加幅度較大,導(dǎo)致電池的凈輸出功率逐漸增加。在流道深度0.4 mm時(shí),達(dá)到最大值。

圖6 流道深度對(duì)電池凈輸出功率的影響Fig.6 Effects of channel depth on net power output from a PEMFC

圖7為流道深度對(duì)CL內(nèi)水濃度的影響(下方為進(jìn)口處,上方為出口處)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),CL內(nèi)的液態(tài)水濃度逐漸減少,這主要是因?yàn)殡S著流道深度的減小,流道內(nèi)壓強(qiáng)增大,氣體在流道內(nèi)流速增加,有利于排出流道內(nèi)液態(tài)水,在濃度差的作用下,CL內(nèi)液態(tài)水?dāng)U散到流道中的濃度增加,最后排出電池外。由圖中也可以發(fā)現(xiàn),靠近進(jìn)口處CL液態(tài)水濃度小,這主要是流道出口壓強(qiáng)一定,隨著流道深度的減小,流道進(jìn)出口壓強(qiáng)差增大,CL內(nèi)液態(tài)水逐漸向出口處擴(kuò)散,導(dǎo)致進(jìn)口處CL內(nèi)液態(tài)水濃度降低。

圖7 0.7 V時(shí)流道深度對(duì)CL內(nèi)液態(tài)水濃度的影響(下進(jìn)上出)Fig.7 Effect of channel depth on liquid water content in CL at 0.7 V

減小流道深度有利于提高電池性能。在流道深度0.4 mm時(shí),電池性能最佳,MPL與CL交界面的氧氣濃度隨著流道深度的減小而增大,電池凈輸出功率逐漸增大,而CL內(nèi)液態(tài)水濃度逐漸減小,進(jìn)一步提高電池性能。

2.2 流道寬度

由圖8流道寬度對(duì)電池極化曲線的影響可以發(fā)現(xiàn),隨著流道寬度的減小,電流密度逐漸增大。在高電位下,電流密度變化幅度較小,在低電位下,電流密度變化幅度較大。

流道寬度的改變對(duì)傳質(zhì)有兩方面影響:一方面減小流道寬度可以減小流道的橫截面積,導(dǎo)致流道內(nèi)壓強(qiáng)增大,有利于氣體擴(kuò)散至CL界面反應(yīng);另一方面減小流道寬度減小了流道與GDL的接觸面積,又會(huì)對(duì)氣體擴(kuò)散的均勻性產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響CL界面氣體濃度。由圖9 MPL與CL交界面氧氣濃度可知,隨著流道寬度的減小,氧氣濃度逐漸增大,因此壓強(qiáng)變化對(duì)傳質(zhì)的影響大過(guò)接觸面積對(duì)傳質(zhì)的影響。

圖9 0.7 V時(shí)流道寬度對(duì)MPL與CL交界面氧氣濃度的影響(下進(jìn)上出)Fig.9 Effect of channel width on oxygen concentration at the interface between MPL and CL at 0.7 V

由圖10流道寬度對(duì)電池凈輸出功率的影響可以發(fā)現(xiàn),隨著流道寬度的減小,電池凈輸出功率逐漸增大,雖然流道寬度減小使進(jìn)出口壓降增大,但電池總功率增大幅度較明顯,因此在流道寬度降低至0.55 mm時(shí),電池輸出功率達(dá)到最大值。

圖10 流道寬度對(duì)電池凈輸出功率的影響Fig.10 Effects of channel width on net power output from a PEMFC

由圖11流道寬度對(duì)CL內(nèi)水濃度的影響可以發(fā)現(xiàn),隨著流道寬度的減小,CL的液態(tài)水濃度降低。這是因?yàn)樵谶M(jìn)口流量一定的條件下,隨著流道寬度的減小,氣體在流道內(nèi)流速增大,有利于CL內(nèi)液態(tài)水?dāng)U散至流道排出,這會(huì)使得反應(yīng)氣體擴(kuò)散至CL的濃度增加,電池性能得以提高。

圖11 0.7 V時(shí)流道寬度對(duì)CL內(nèi)液態(tài)水濃度的影響(下進(jìn)上出)Fig.11 Effect of channel width on liquid water content in CL at 0.7 V

減小流道寬度有利于提高電池性能。在流道寬度0.55 mm時(shí),電池性能最佳,MPL與CL交界面的氧氣濃度隨流道寬度減小而逐漸增加,電池凈輸出功率提高,同時(shí)減小流道寬度也有利于排出CL內(nèi)的液態(tài)水。

2.3 流道脊寬

由圖12流道脊寬對(duì)電池極化曲線的影響可知,隨著流道脊寬的減小,在高電位下電流密度變化不明顯,而在低電位下,隨著流道脊寬的減小,電流密度逐漸增大。這主要是因?yàn)?雖然流道脊寬的減小未改變流道橫截面積,但會(huì)使流道的長(zhǎng)度增加,氣體在流道內(nèi)流動(dòng)損失增加,流道壓降增加,有利于反應(yīng)氣體的擴(kuò)散,進(jìn)而提高了反應(yīng)速率。

圖12 流道脊寬對(duì)極化曲線的影響Fig.12 Effects of channel ridge width on the cell polarization curves

圖13給出了0.6 V時(shí)電流密度隨流道脊寬的變化。當(dāng)流道脊寬由1.4 mm減小至1.2 mm時(shí),電流密度增加幅度較小,而流道脊寬由1.2 mm減小至0.6 mm時(shí),電流密度增加幅度較大。

圖13 0.6 V時(shí)電流密度隨流道脊寬變化曲線Fig.13 Variation curve of current density with channel ridge width at 0.6 V

由圖14 MPL與CL交界面氧氣濃度可知,隨著流道脊寬減小,氧氣濃度逐漸增大,這主要是因?yàn)榱鞯兰箤挼臏p小并沒(méi)有改變流道的橫截面積,但會(huì)造成流道長(zhǎng)度增加,氣體在流道內(nèi)流動(dòng)損失增加,流道壓強(qiáng)增加,有利于氧氣的擴(kuò)散。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)氧氣濃度增大幅度不顯著,這主要是因?yàn)檠鯕夥謮毫φ急容^小,導(dǎo)致氧氣濃度擴(kuò)散量較小。

圖14 0.6 V時(shí)流道脊寬對(duì)MPL與CL交界面氧氣濃度的影響(下進(jìn)上出)Fig.14 Effect of channel ridge width on oxygen concentration at the interface between MPL and CL at 0.6 V

由圖15流道脊寬對(duì)電池凈輸出功率的影響可知,隨著流道脊寬減小,陰極流道壓降逐漸增大,流道脊寬減小使流道長(zhǎng)度的增加,流道轉(zhuǎn)彎處增多,造成壓力損失增加,因此消耗泵功增大,但電池總功率增加量大于泵功的增加量,因而電池凈輸出功率增大,在流道脊寬達(dá)到0.6 mm時(shí)達(dá)到最大值。

圖15 流道脊寬對(duì)電池凈輸出功率的影響Fig.15 Effects of channel ridge width on net power output from a PEMFC

圖16為流道脊寬對(duì)CL內(nèi)液態(tài)水濃度的影響。由圖可知,CL內(nèi)液態(tài)水濃度隨流道脊寬的減小而減小,而液態(tài)水濃度的降低有利于反應(yīng)物在CL內(nèi)的反應(yīng),進(jìn)而提高電池性能,同時(shí)在進(jìn)出口壓強(qiáng)差的作用下,導(dǎo)致液態(tài)水向CL出口側(cè)聚集。

圖16 0.6 V時(shí)流道脊寬對(duì)CL內(nèi)液態(tài)水濃度的影響(下進(jìn)上出)Fig.16 Effect of channel ridge width on liquid water content in CL at 0.6 V

由以上分析可知,在低電位時(shí),減小流道脊寬有利于提高電流密度。在MPL與CL交界面的氧氣濃度逐漸增大,但增加幅度較小,主要是因?yàn)榱鞯缐航翟黾臃容^低,氧氣所占分壓力更小,氧氣擴(kuò)散量減少,因此氧氣濃度變化不大。電池凈輸出功率逐漸增加,CL內(nèi)液態(tài)水濃度隨著流道脊寬減小而減少,這有利于提高電池性能。

3 結(jié)論

本文針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池,建立兩相三維等溫?cái)?shù)學(xué)模型,分析燃料電池蛇形流道深度、流道寬度、流道脊寬對(duì)電池性能、傳質(zhì)特性、凈輸出功率、排水性能的影響,得到了如下結(jié)論。

1) 減小流道深度可增大MPL與交界面氧氣濃度,有效提高電流密度,尤其在低電位時(shí)更加明顯,同時(shí)減小流道深度提高了電池凈輸出功率,提高了電池性能,在流道深度0.4 mm時(shí),電池性能最佳;

2) 減小流道寬度雖然減小了流道與擴(kuò)散層的接觸面積,但會(huì)造成流道進(jìn)出口壓降增加,有利于氣體擴(kuò)散至CL反應(yīng),且其占據(jù)主要因素,同時(shí)電池凈輸出功率也隨之增大,在流道寬度0.55 mm時(shí),電池性能最佳;

3) 隨流道脊寬的減小,MPL與CL交界面氧氣濃度逐漸增加,提高了電流密度,同時(shí)電池凈輸出功率逐漸提高,CL內(nèi)水濃度隨流道脊寬減小而降低,這也有利于提高電池性能,在流道脊寬0.6 mm時(shí),電池性能最佳。