操作参数耦合对质子交换膜燃料电池性能影响的模拟研究

蒙先攀, 李 超, 雷 涵, 廖晋杨, 陆福禄, 潘明章,2*

(1.广西大学机械工程学院，南宁 530004； 2.广西电化学能源材料重点实验室，南宁 530004)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)突破了卡诺循环的限制，具有能量转换率高、运行温度低、可靠性高、启动快以及排放物零污染等优点，被认为是最有潜力取代传统内燃机的新型绿色能源转换装置之一[1-2]。所以对燃料电池性能的优化和提高是推动燃料电池发展的重要工作之一，运行中的燃料电池性能主要受到各操作参数的控制。合理的工况可以有效地对电池内水、热进行管理[3-4]，并且可以根据不同负载的需求和环境的变化对其操作参数进行精确的调整，以实现最佳的电池输出性能[5]。因此，研究运行中燃料电池各操作参数的影响对提高燃料电池性能具有重大意义。

目前，研究人员开展了大量工作研究燃料电池性能的影响因素[6-10]，研究思路主要围绕着与燃料电池组件自身设计有关的结构参数和各类运行工况有关的操作参数开展相关工作。在结构设计方面，Freire等[11]研究不同横截面形状(矩形和梯形)的流道及操作参数对PEMFC性能的影响，发现当反应物的加湿温度高于电池温度时，梯形截面形状的流道能提高电池的性能，而矩形横截面形状的流道对PEMFC性能的影响小到可以忽略不计。Nanadegani等[12]通过在气体扩散层和催化剂层之间增加微孔层来提高燃料电池性能，研究发现增加的微孔层能够通过降低液态水的饱和度来提高燃料电池性能。而当电池的结构设计已经确定时，对操作参数的控制则变得至关重要，是优化电池性能过程中必不可少的工作。Jang等[13]通过实验对影响燃料电池性能的操作参数进行研究，发现随着气体加湿温度、电池温度、组装的扭矩以及气体流量的提升，电池的性能随之提升。Chippar等[14]研究了夹紧力的变化程度对燃料电池性能的影响，发现气体扩散层在肋边附近的应力最大且气体扩散层的压缩组合效应会引起反应物和电流密度的分布不均匀，导致电池性能下降。Srinivasan等[15]提出了一种快速且比较精确的湿度控制方法，通过混合干燥和加湿气流来跟踪预定义相对湿度的设置点，以优化提高燃料电池的性能。Donggun等[16]研究了操作压力对PEMFC性能的影响，发现阴极侧受压时的性能优于阳极侧受压时的性能，阴极侧受压增加了空气通过水的穿透，降低了浓度过电位。且在缺水条件下对阴极侧加压，膜的饱和度会随着压力的增大而逐渐增大，而在富水条件下，这种现象逐渐减弱，性能差异逐渐缩小。

各操作参数对电池性能的影响均在不同程度上得到了讨论；但大部分研究往往限定了部分操作参数，仅讨论了某一特定参数的变化对燃料电池性能的影响情况，而针对多操作参数耦合对燃料电池性能的影响研究相对较少，特别是在分析各操作参数耦合时考虑散热率变化的研究较少。本文以不同操作参数(工作电压、操作压力、温度、自然对流和强制对流的散热率)作为变化运行参数，采用ANSYS/FLUENT对燃料电池进行模拟计算，揭示多操作参数耦合的内部变化机制和温度的变化规律，并研究了其对燃料电池性能的影响情况。

1 模型描述

研究通过ANSYS/design modeler建立一个包括多平行的蛇形阳极流道、多平行的阴极直流道、气体扩散层、催化层以及质子交换膜的电池单体几何模型(图1)。该模型的活化面积为31.2 cm2，采用Nafion117质子交换膜和40%的Pt/Vulcan催化层(具体建模参数如表1)。通过ANSYS/mesh对该模型进行六面体网格划分，生成的网格总数为130×104，并使用ANSYS/FLUENT 19.0的PEMFC模块进行模拟仿真。

图1 燃料电池的三维模型Fig.1 3D model of a fuel cell

表1 几何尺寸参数Table 1 Geometric dimension parameters

1.1 模型假设

为了便于建立数学模型，需要对模型做出如下假设：①不考虑重力对其产生的影响；②稳态运行工况；③非等温条件运行；④气体扩散层、催化层和膜各处化学性质均匀且各向同性；⑤模型中运输的组分以气态形式存在；⑥反应物为单一的流动方向，不会逆流穿过膜电极；⑦反应在阴极催化层发生。

1.2 数学模型的建立

表2 控制方程Table 2 Governing equations

1.3 数值方法及边界条件

研究采用FLUENT软件模拟，使用压力求解器通过多重网格法和有限体积法中的 “SIMPLE” 算法对控制方程进行求解。软件中采用的物性参数具体如表3所示。

模型的边界条件通过FLUENT定义，质量流量由进口流量定义，压力由出口压力定义，壁面定义为不同的散热率，部件之间的面定义为内部面。质量流量根据温度、饱和蒸汽压力化学计量数等条件来计算[17]。具体运行参数如表4所示。

表3 物性参数Table 3 Physical parameters

表4 运行条件Table 4 Operating conditions

2 模拟结果与分析

2.1 模型验证

为验证本文所建立模型的准确性，将仿真结果和Valencia等[18]所做的实验结果进行了比较。Valencia等使用的是一个有效面积为31.2 cm2的燃料电池，其中膜电极由Nafion117和40%的Pt/Vulcan组成，气体扩散层由碳纤维布构成。在图2中可以看到仿真结果与实验结果变化规律基本一致，但仿真值略高于实验值，且仿真值在高电流密度时更加接近实验值。产生差异的原因是模拟仿真忽略了接触电阻的同时使用了恒定散热率。

图2 模拟结果与文献[18]极化曲线比较Fig.2 Comparison of polarization curves between simulation results and experimental results in Ref.[18]

2.2 影响PEMFC性能的操作参数分析

图3(a)是进气温度为300 K时，不同操作压力及电压条件下，电流密度随散热率的变化情况。可以看出，电流密度在0～0.65 A/m2之间变化。在各种工况(操作压力和电压)下，电流密度均随散热率的增加而增加。当进气温度和操作压力不变时，电流密度随电压的增加而下降，当电压较大(0.9 V)时，可以观察到3条不同大气压的电流密度变化几乎重合在一起，说明此时散热率对电流密度的影响较小，可以忽略不计。当进气温度和电压不变时，电流密度随工作电压的增加而增加。从图3(a)中还可以观察到当散热率达到40 W/(m2·K)时，各工况电流密度的变化趋势发生了变化，这可能是由于散热率过大对电池内的温度产生了较大的影响而造成的。

图3(b)是进气温度为330 K时，不同操作压力及电压条件下，电流密度随散热率的变化情况。可以看出，电流密度的变化趋势与图3(a)的300 K时的变化趋势相似，其中电流密度范围较300 K时有所增加。在电压为0.5 V、操作压力为303.975 kPa时电流密度达到最大，最大值为0.81 A/m2，说明进气温度的增加在一定程度上可以增加电流密度。同时结合图3(a)，从图3(b)中散热率40 W/(m2·K)后的变化可以更加清晰地看出，0.5 V的3条操作压力曲线斜率变大，电流密度增长速度增加，而0.7 V的3条操作压力曲线的电流密度开始下降，说明不但电压的增加会降低电流密度，还说明在散热率增加到一定值后[40 W/(m2·K)]电压的影响开始占据主导地位。

图3 不同操作压力及电压情况下电流密度随散热率的变化Fig.3 Changes of current density with heat transfer rate under different operating pressures and voltages

2.3 操作参数对温度分布的影响

通过质子交换膜云图进一步揭示关于压强及散热率对温度分布的影响。从图4可以看出，温度在膜上的分布都有着相似的规律，但温度范围却随着操作压力和散热系数的变化而变化。随着操作压力的升高，膜上各区域温度也随之升高，这主要是因为操作压力的增加提高了电池性能，从而增加了产热，才使得膜各区域温度均有所增加。同时还可以观察到随着散热率的增大，最高温度从气体出口向膜的中心区域移动，这主要是因为随着散热率的增加，燃料电池与环境的换热量增大，膜的边缘更易得到降温，导致膜内的最高温度点逐渐向膜的中心区域移动。

图5是进气温度为330 K时、工作电压0.7 V时，散热率对质子交换膜温度影响的分布。从图5中可以看出，330 K时的温度分布规律与300 K时相似，特别是散热率在5 W/(m2·K)时尤为明显。但与图4不同的是，在图5中气体入口的温度总是低于出口温度，而当进气温度升高到330 K后，随着散热率的增加，氢气入口的温度相对于出口温度逐渐增大并超过出口温度，在散热率为60 W/(m2·K)时，可以从云图中看出氢气入口的温度已经明显高于出口温度。这种现象的出现是由于在低散热率时电池体温度高于入口气体的温度，进气对电池体起到了降温作用，所以氢气入口处温度较低。而当散热率较高[60 W/(m2·K)]时，由于较大的散热性导致电池体温度降低，此时电池体温度低于330 K的入口气体温度，才使得氢气入口温度大于出口温度的现象出现。

为进一步反映质子交换膜云图上温度的分布情况，对质子交换膜上不同操作参数耦合的平均水含量进行了定量分析，图6(a)进气温度为300 K时，质子交换膜温度随散热率的变化。从图6(a)中可以很明显地看出，散热率对温度的影响情况，散热率越大，各个工况的温度均越低。当散热率不同时，最高温度均出现在操作压力303.975 kPa、电压0.5 V的操作参数条件下，当散热率为5、40、60 W/(m2·K)时，最高温度分别为369、349、350 K。从图6(a)中还可以看出在之前图3中0.9 V电压时重合在一起的三个操作压力的电流密度值在不同散热率情况下均为300 K左右。对于电压为0.7 V和0.5 V的工况，均是操作压力越大温度越高，且在电压0.5 V、操作压力303.975 kPa、散热率5 W/(m2·K)时出现最高温度，其值为368.72 K。

图6(b)为进气温度为330 K时，质子交换膜温度随散热率的变化。可以看出，其分布规律与图6(a)类似，当散热率不同时，最高温度依旧出现在操作压力303.975 kPa、电压0.5 V的操作参数条件下，当散热率为5、40、60 W/(m2·K)时，最高温度分别为400、363、364 K。此外，在图6(b)中可以观察到不同散热率时出现的最高温度与图6(a)一样均在散热率60 W/(m2·K)时出现了少量的回升，这可能是由于随着散热率的增加，电池体温度下降，电池内相对湿度增加，使得电池性能增加，导致产热大于散热的结果，这一点也可以通过操作压力303.975 kPa、电压0.5 V的折线在散热率40 W/(m2·K)后电流密度又再次上升(图3)而得到佐证。

图4 进气温度为300 K、工作电压0.7 V时，散热率对质子交换膜温度影响的分布Fig.4 Effect distribution of heat transfer rate on proton exchange membrane temperature at 300 K inlet temperature and 0.7 V working voltage

图5 进气温度为330 K时、工作电压0.7 V时，散热率对质子交换膜温度影响的分布Fig.5 Effect distribution of heat transfer rate on proton exchange membrane temperature at 330 K inlet temperature and 0.7 V working voltage

2.4 操作参数对电流密度分布的影响

电流密度是反应燃料电池性能的一个重要参数，电流密度的分布会受到各操作参数的影响。图7为进气温度300 K、工作电压0.7 V时，不同散热率和操作压力对质子交换膜电流密度分布的影响。

图6 质子交换膜温度随散热率的变化Fig.6 Changes of proton exchange membrane temperature with heat transfer rate

图7 进气温度为300 K、工作电压0.7 V时，散热率对质子交换膜电流密度分布的影响Fig.7 Effect of heat transfer rate on the current density distribution of proton exchange membrane when the inlet temperature is 300 K and the working voltage is 0.7 V

图8 进气温度为330 K、工作电压0.7 V时，散热率对质子交换膜电流密度分布的影响Fig.8 Effect of heat transfer rate on current density distribution of proton exchange membrane when inlet temperature is 330 K and working voltage is 0.7 V

从图7可以看出，进口方向的电流密度比较低，高电流密度集中在氧气和氢气出口处，这是由于300 K的进气温度较低，进入电池的气体随着温度的升高反应逐渐增强，从而导致电流密度的提高。还发现操作压力升高，电流密度升高，这是由于操作压力的升高增加了电池内各质量传输，加快了反应速度从而提升了电池性能。

图8为进气温度330 K、工作电压0.7 V时，不同散热率和操作压力对质子交换膜电流密度分布的影响。可以看出其与图7有着相似的分布规律，不同的是氢气进口处的电流密度开始增大，在散热率为60 W/(m2·K)时，氢气入口处电流密度增大的更加明显，并且高电流主要集中在质子交换膜的中间。

3 结论

通过模拟研究了各操作参数耦合对燃料电池性能的影响，特别是考虑到散热率变化对性能的影响。研究发现操作压力、进气温度和散热率的增加均能提高燃料电池的电流密度。而工作电压的增加会显著降低燃料电池的性能，且接近开路电压时，其他操作参数的变化对电流密度的输出影响很小，工作电压对电流密度的影响比其他操作参数的影响更明显，占据主导地位。操作压力的提高增强了电池内各质量传输，对燃料电池的性能起到增强作用。进气温度的影响效果取决于此时电池体温度和最佳工作温度的关系，若电池体温度高于最佳工作温度，进气起降温效果时会增强燃料电池性能，若电池体温度低于最佳工作温度，则进气起升温效果时会增强燃料电池性能。散热率的增大可以加速燃料电池与环境的换热，从而增强燃料电池的性能。