车用质子交换膜燃料电池变载工况下三维、两相CFD数值模拟研究

龙佳庆

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545001）

以传统化石原油为燃料的传统动力汽车的普及，极大地增加了我国的原油消费，大量化石燃料燃烧的尾气排放造成全球变暖、气候变化等严重的环境问题。从国家能源战略的长远利益看，积极发展新能源汽车是解决上述两大发展压力的有效途径，其中氢能因其具有高效率、零排放等特点被认为是未来后石油时代的理想能源。近期“十三五”期间政府工作报告首次涉及氢能发展规划，其中首先涉及的便是以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）在交通领域的应用[1]。

然而，目前车用氢燃料电池发动机的成本和寿命是制约氢燃料电池汽车大面积商业化的主要问题。氢燃料电池主要以Pt/C 作为氧化还原催化剂，而在汽车频繁启停工况下用于催化剂载体的石墨极易在高电位下被氧化降解，严重影响电池性能及寿命，大大增加了使用成本[2]；此外，燃料电池作为固定电源，以恒定功率供电时，其使用寿命可达30000h，而车用燃料电池的寿命只有约2500～3000h。造成不同应用场景电池寿命有如此大的差距，主要是因为车用燃料电池一直处于频繁的启停，变载工况对寿命有很大影响[3]，如图1所示，其比例分别高达33%和56.5%。

图1 车用工况致使燃料电池寿命衰减比例[4]

因此，对车用燃料电池的动态变载工况下电池内部的响应机制进行深入研究，掌握电池瞬态传输特性，对进一步提升电池使用寿命，降低成本具有重要意义。由于质子交换膜燃料电池工作时内部涉及复杂的传质、传热、传电及电化学反应，且以不同的时间和空间尺度发生，本文将建立考虑两相流的三维等温燃料电池单直流道模型，以计算流体力学FLUENT 为平台，基于其PEM 燃料电池模块进行模拟计算，重点研究变载工况下电池内部的动态响应机制。

1 模型描述

如图2所示，首先利用三维建模软件UG建立2mm×3.46mm×50mm 的单直流道燃料电池模型，分别包括阴阳极气体流道(Channel)、阴阳极集流板(BP)、阴阳极气体扩散层(GDL)、阴阳极催化层(CL)、质子交换膜(Membrane)等九个计算域。为保证模型有较好的计算收敛性，模型在ANSYS/ICEM环境中，采用正六面体结构化网格，进行网格划分，各计算域网格划分参数见表1，网格数为

110000。

图2 单直流道PEMFC计算域模型及网格划分

表1 计算模型结构尺寸及网格划分

1.1 模型假设

为方便求解，数值模拟建立在一定的假设基础之上，本文做出如下假设：

(1) 燃料电池在瞬态工况条件下运行；

(2) 反应中涉及的气体均为理性气体；

(3) 本模型不考虑忽略集流板温度迟滞变化对电池性能的影响（等温模型）；

(4) 电池中气体扩散层、催化层均为具有各项同性的多孔介质；

(5) 仅考虑集流板间的接触电阻。

1.2 数学模型守恒控制方程

如表2所示，氢燃料电池工作时涉及复杂的组分输运及电化学反应，故燃料电池除了遵循质量、动量和能量三大守恒控制方程外，还需满足组分守恒、电荷守恒控制方程。

表2 PEMFC模型控制方程

1.3 边界条件及仿真工况

在PEM 燃料电池模型中，阴阳极气体入口为质量流量入口，出口均设置为压力出口，集流板为固体域，本模型集流板设为金属铝，壁面均为无滑移等温壁面边界wall，其余计算域为流体域。为准确地捕捉电池瞬态特性，提高计算精度，采用二阶迎风格式的压力基SIMPLE 算法，表3 为重要物性参数。本文选取燃料电池阴阳工作压力均为2atm，阴阳极进气过量系数分别为2.5 和1.2，工作温度为333K，进气湿度为60%，重点研究在忽略温度影响下电池变载时内部反应机制，表4为模拟工况进气参数。

表3 物性参数

表4 模拟工况进气参数

2 仿真模拟结果与分析

图3 电流密度0.2-0.6A/cm2变载电池瞬态响应

为模拟车用质子交换膜燃料电池变载工况下电池内部动态响应机制，基于上节构建的三维，考虑气液两相流具有单直流道单体PEMFC 模型。同时，忽略电池外部温度的响应迟滞，保持恒温边界，如图3所示，在零秒时刻给定电流密度0.2-0.6A/cm2阶跃负载模拟汽车变载工况。单体电池电压从零秒时刻之前的0.743V 立即下降至0.633V，随后，经过大约12s左右，单体电池电压逐渐上升至0.712V，即在给定阶跃变载后，单体电池电压出现明显的下冲和缓冲时间，下冲量约为79mV，缓冲时间12s 左右。此外，在图3中发现，几乎在给定变载瞬间即零时刻开始，质子交换膜的平均含水量( λ)开始从之前的 λ=4 以一定斜率逐渐上升，约经过12s趋于稳定在 λ=10.15左右。

图4 阳极气体扩散层-催化层交界面Z=25mm轴线上氢气质量分数瞬态分布

2.1 变载瞬间组分瞬态响应

为探究单体电池在变载瞬间电池内部反应气体组分的动态响应，如图4、图5 分别给出了在3s、6s、9s、12s时刻在阳极、阴极气体扩散层-催化层交界面Z=25mm 轴线上氢气和氧气质量分数分布情况，发现反应气体的质量分数均由气体流道中心区域向两边脊部区域逐渐减小。这是因为反应气体进入流道后，经过扩散层多孔介质的强制对流扩散，再加上集流板脊部壁面的挤流，使得在反应气体组分在扩散层-催化层交界面上脊部区域的气体分压较大。所以，图6 中阴极催化层Z=25mm中截面较大的局部电流密度区域集中在脊部附近区域。

图5 阴极气体扩散层-催化层交界面Z=25mm轴线上氧气质量分数瞬态分布

此外，对比图4、图5 还发现，在给定电流密度阶跃负载0.2-0.6A/cm2后，需要更多的反应气体参与反应。所以，随着时间推移，气体扩散层-催化层交界面Z=25mm 轴线上的反应气体组分质量分数逐渐减小，均在脊部区域气体组分减小明显，阳极氢气相对于阴极氧气减小更加明显。

图6 阴极催化层Z=25mm中截面局部电流密度瞬态分布

2.2 变载瞬间膜含水量瞬态响应

如图7所示，给出了在阶跃加载电流密度0.2-0.6A/cm2后，在3s、6s、9s 以及12s 时刻在质子交换膜计算域沿Z 轴方向流道长度的20%、40%、60%以及80%截面上膜水含量的分布情况。由于质子交换膜燃料电池本质属性，产物水在阴极侧聚集，并由于阴阳极两侧存在的浓度差，而反向阳极侧扩散，使得膜阴极侧含水量高于阳极侧。可以发现，负载电流密度增加到0.6A/cm2，更多的反应气体参与反应而被消耗，在阴极侧生成更多的产物水聚集在质子交换膜的阴极侧向阳极侧扩散，使得膜平均含水量逐渐上升，质子导电率增强，欧姆阻抗逐渐降低，单体电池电压上升。

图7 质子膜Z方向XY截面膜含水量瞬态分布

3 结论

本文为研究应用于汽车的质子交换膜燃料电池在变载工况的电池内部瞬态响应机制，建立了一个三维，考虑气液两项流等温的单直流道燃料电池模型。利用ANSYS/FLUENT 中燃料电池模块进行瞬态求解，在零时刻给定0.2-0.6A/cm2阶跃负载模拟变载工况，在变载瞬间单体电池电压从之前的0.743V 立即下降至0.633V。之后，随时间推移更多的反应气体参与反应，尤其是脊部区域反应气体减小明显，局部电流密度区域趋于均匀。质子交换膜含水量逐渐上升并重新分布至趋于稳定，交换膜质子导电率增强，欧姆阻抗下降，单体电池电压经过12s左右逐渐上升至0.712V。故忽略电池温度影响，0.2-0.6A/cm2阶跃变载，单体电池电压的下冲量及响应时间取决于变载前后质子交换膜内含水量的重新分布。