考虑水膜存在的PEMFC流场的优化模型

杜新，张丹阳，王金龙

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

考虑水膜存在的PEMFC流场的优化模型

杜新，张丹阳，王金龙

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

在PEMFC的研究中，双极板流场一直是一个非常关键的研究部分。如今对双极板流场的研究，多基于反应产物水仅以气态形式存在，然而在实际的反应中，尤其在大电流密度下，扩散层中有液态水产生并在电解质表面形成水膜，影响着燃料电池的使用性能。引入液态水水膜对PEMFC性能的影响，推导出新的电流密度公式，使其更符合真实反应情况，并建立了更准确的三维阴极模型对交指形流场尺寸进行优化，得出在宽度为1cm的双极板上制造出4组流道且其进出流道宽度比为1.5∶1时更好。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）；流场；扩散层；水膜

双极板的优化设计是微型燃料电池中重要的研究内容之一。双极板通过流道向膜电极提供反应气体、收集电流、保护膜电极，管理电池中产生的水和热。研究人员在双极板的材料、加工、流道的形状、尺寸、拓扑优化等许多方面开展了大量的研究［1］，如今最常见的流场结构主要有平行流场、蛇形流场和交指形流场［2］等。由于计算能力的限制，目前关于双极板流场的仿真绝大部分都是建立在气相假设基础上。然而在大电流密度情况下，研究表明液态水对电池性能的影响不可忽略［3］。本文考虑液态水对电流密度的影响，建立了一种新的适用于流道仿真的电流密度控制方程，并使用新模型对交指形流道的尺寸进行优化，为提高电池性能提供更真实的数据。

1PEMFC的数学模型

1.1 模型假设

为简化计算，本文假设：（1）所有气体均认为是不可压缩的理想气体；（2）燃料电池处于稳态；（3）忽略模型中阳极活化极化的影响；（4）燃料电池的整个反应中处于恒温；（5）模型为三维模型。

1.2PEMFC极化模型建立

在流道和扩散层内，气体对流和扩散方程为：

在扩散层内，液态水的控制方程为：

式中，s是相对饱和度，Dc为毛细扩散系数，Qbr、和R为源项。考虑相变的影响，具体公式定义可i参考文献［4］。本文的物理参数和参考文献［5］相同。

1.3 电化学动力学模型

在流道设计中，为简化计算，电流密度只分布在模型的边界上，控制方程为Butler-volmer公式：

其中，Co2,l/s为到达催化层表面的氧气浓度，其余参数定义与文献［4］相同。

考虑液态水影响，在催化层表面引入一层水膜。对液态水水膜厚度可根据下式得到：

氧气通过水膜到达电解质膜表面的浓度由下式得到：

联合公式（4）-（7），得到：

利用COMSOL4.4模拟仿真得出PEMFC极化曲线，将不考虑水膜和考虑水膜存在的模型的结果进行比较，如图1所示。

图1 考虑水膜和不考虑水膜模型极化曲线

通过对比图1中考虑水膜和不考虑水膜模型的极化曲线可以发现，考虑液态水影响的模型更接近实验数据。

2 仿真结果与讨论

流场的物理参数和催化层厚度与文献［5］的保持一致。来流为空气，入口边界给定压力为1.5大气压，氧气质量分数是0.14486，水蒸气质量分数是0.21。出口压力为1大气压。给定电池电压0.4V。在流道与扩散层交界处，水的饱和度s=0。

2.1 流道组数对电池性能的影响

设定双极板宽度为1cm，保证流道宽度与流道间距的尺寸1：1，流道组数（一组流道指一进一出两条流道）为2～7组进行计算，得出极化曲线如图2所示。

图2 输出电压为0.4v时组数与电流密度关系图

如图2所示，可以看出流道组数在2～5组，随着流道组数越多电池的电流密度越大，这是因为流道组数越多，到达催化层发生反应的气体越多，电流密度自然越大。当流道组数增加到6组和7组时，电流密度有小幅度的降低，这是因为流道组数变多，流道与流道的间距变小，入口通道的气体通过扩散层后更容易到达出口通道，流出流场，降低了反应气的利用率。综上，从加工制造的难易程度以及电池性能两方面考虑，加工4组通道是相对较好的选择。

2.2 进出流道宽度比对电池性能的影响

在确定了交指形流场中选择4组流场较好的前提下，本文还对入口流道的宽度与出口流道宽度的比值对电池性能的影响进行了研究。在流道深度不变、流道间距与出口流道宽度相等的前提下，分别令入口流道的宽度与出口流道宽度的比为0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1五种情况进行比较，其极化曲线如图3所示。

图3 输出电压为0.4v时宽度比与电流密度关系图

如图3所示，随着进出流道宽度比的增加，电流密度逐渐增加，但是增加幅度逐渐降低。在双极板面积一定的情况下，进出口流道的宽度比增加，就意味着出口流道宽度的减小，加工难度就会增大。因此，综合来看，选择宽度比为1.5∶1较为合适，电流密度相对较高，同时出口流道不至于过窄，降低了加工难度。

3 结论

本文引入液态水对扩散层结构的影响，建立了更符合实际情况的三维阴极模型来优化双极板流场的尺寸，提高其使用性能。通常加工一个燃料电池单元的双极板宽度为1cm，仿真结果表明，无论从加工的难易还是燃料电池性能考虑，流道组数为4且进出口流道宽度比为1.5∶1时效果更好。

［1］ Li X，Sabir I.Review of bipolar Plates in PEM fuel cells：Flow-field designs［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2005，30（3）：359-371.

［2］ 马利.微型燃料电池双极板的研究现状［J］.电源技术，2014，138（7）：1380-1383.

［3］ 杜新，胡扬，王金龙.考虑水膜结构的PEMFC团聚体二相流模型［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（3）：70-72.

［4］ Lei Xing，Liu Xiaoteng，Taiwo Alaje，et al.A two-Phase flow and non-isothermal agglomerate model for a proton exchange membrane（PEM）fuel cell［J］.Interna⁃tional Journal of Hydrogen Energy，2014，73（5）：618-634.

［5］ Wang Chao-Yang.Two-phase transport and the role of micro-porous layer in polymer electrolyte fuel cells［J］. Electrochimica Acta，2004，49（3）：4359-4369.

Research on Optimization Model of PEMFC Flow Field Considering the Existence of Water Film

DU Xin，ZHANG Danyang，WANG Jinlong
（School of Mechatronical Engineering，Changchun university of Science and Technology，Changchun 130022）

In the research of PEMFC，the flow field of bipolar plate has been a very important research part.Now the bipolar plate flow field research，the water of multi reaction products existed only in the form of gas.But in the actual reaction and espe⁃cially in the high current density，when liquid water and water film formed in the electrolyte surface diffusion layer，the perfor⁃mance of fuel cell is affected.In this paper，the liquid water film effecting on the performance of PEMFC is introduced，a new formula of the current density is derived，which is more consistent with the real situation of the reaction，and the three-dimen⁃sional model more accurately shaped cathode flow field is set up to optimize the interdigital size，the width of 1cm bipolar plate to produce 4 sets of channels，and the better ratio of import channel width is 1.5∶1.

proton exchange membrane fuel cell；channel；gas diffusion layer；water film

TM911

A

1672-9870（2017）03-0064-03

2016-12-19

吉林省科技发展计划项目（20150204009SF）

杜新（1975-），男，博士，讲师，E-mail：duxin225@sina.com