挡板式8通道蛇形流道PEMFC的性能研究

2021-07-30张智虎郑明刚

太阳能 2021年7期

张智虎，郑明刚*，石磊

(1.山东建筑大学机电工程学院，济南 250101；2.同济大学汽车学院，上海 201804)

0 引言

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) 因具有启动速度快、产物环保、工作时无噪音、高效节能的优势，已成为21世纪理想动力发展的趋势。然而，PEMFC自身性能影响了其大规模商业化应用，因此，对PEMFC的性能改善进行研究仍是目前的研究热点。

合理的流道设计不仅能够提升PEMFC的传质效率、排水能力，同时还能增强其水热管理能力。目前，关于PEMFC中流道的几何尺寸的研究相对较多。如文献[1-4]关于流道长度对PEMFC性能影响的研究表明，流道越长，引起的流道内的压力损失就越大，从而造成流道后段的反应气体的浓度越低；同时，由于应力损失变大，也不利于电池反应时生成的水蒸气的排出，易发生水淹现象，从而降低电池的性能和工作稳定性。文献[5-10]关于流道宽度对PEMFC性能影响的研究表明，较小的流场脊宽度和较大的流道宽度能够提高反应气体的传质效率，从而提高PEMFC的性能。KHAZAEE[11]关于在流道中设置不同形状障碍物对PEMFC性能影响的研究表明，在三角形和矩形障碍物的后方区域，水的摩尔分数随着障碍物高宽比的增加而减小；同时，设置矩形和三角形障碍物后，会使氧的摩尔分数变大。HEIDARY等[12]对堵塞双极板流道后PEMFC的性能进行了研究，结果表明，在压降较高的情况下，完全堵塞双极板流道比部分堵塞更能提高PEMFC的净电功率。THITAKAMOL等[13]对于中间挡板式交叉流道的研究表明，采用中间挡板式交叉流道的PEMFC的性能优于采用传统交叉流道的PEMFC的性能，中间挡板式交叉流道的极限电流密度约为传统交叉流道的1.4倍，这是因为阴极溢流发生了延迟，使采用中间挡板式交叉流道的PEMFC保持了较好的性能。JANG等[14]对cm级PEMFC流道中交错挡板位置的优化设计进行了研究，结果表明，挡板的最佳位置取决于入口处反应气体的流速；同时建议将流道中的所有挡板放置在相应流道的出口处，有限电流密度可从460 mA/cm2提升至510 mA/cm2。YIN等[15]对流道内安装挡板后PEMFC的传质特性及性能参数进行了研究，提出了一种阻塞率逐渐增加的流道设计，采用此设计的流道与阻塞率均匀的流道相比，可提升PEMFC的性能。文献[16-18]研究了流道截面形状对PEMFC性能的影响，并重点研究了截面形状与流道内压降损失之间的关系。

综合上述文献可知，通过优化流道整体几何尺寸从而提升PEMFC性能是流道几何尺寸研究的重点。近年来，部分学者提出通过改进流道局部尺寸来改善PEMFC的性能，比如在流道内部增设挡板，这种特殊的设计形式对于流道内部的传质、排水，以及多孔电极内部的电化学反应均具有十分重要的影响[19-20]。

出于降低研究成本及缩短仿真计算时间的考虑，目前对于PEMFC性能的研究主要集中在对其单体的仿真模拟方面。完整的PEMFC单体由阴极、阳极流道，气体扩散层(GDL)，催化层，以及中间的质子交换膜组成。因此，针对流道内物质输运效果的研究不应仅局限于流道层面的模拟，而应对PEMFC单体进行模拟。本文针对采用8通道蛇形流道的PEMFC，对其阴极和阳极流道、GDL、催化层和质子交换膜进行了全流场层面的建模仿真，建立了一个8通道蛇形流道PEMFC的三维、稳态、恒温模型，通过在通道内部增设挡板来研究挡板的设计对PEMFC性能的影响；并且模拟过程中还对包括流道和膜电极在内的燃料电池的核心部件内发生的物质运输、电化学反应等进行了较为全面的考虑，以提升仿真效果。

1 模型与参数

在3.2 cm×3.2 cm的流场有效面积内建立了8通道蛇形流道PEMFC的三维、稳态、恒温模型。下文分别对其物理模型及数学模型进行介绍。

1.1 物理模型

8通道蛇形流道PEMFC的物理模型如图1所示，模型的基本参数如表1所示。

图1 8通道蛇形流道PEMFC的物理模型Fig.1 Physical model of PEMFC with 8-channel serpentine flow channel

表1 物理模型的基本参数[21]Table 1 Basic parameters of physical model [21]

1.2 数学模型

PEMFC的数学模型涉及了多个学科领域，遵循以质量守恒、动量守恒、组分守恒及电荷守恒为主的守恒定律。这些守恒定律的通用公式可表示为：

式(1)中的4项从左到右分别是瞬态项、对流项、扩散项及源项。对于上述的各个守恒方程均是通过改变ψ的取值得到的。

当ψ=1时，可得到质量守恒方程，即：

式中，Sm为质量对应的源项，kg/(m3·s)。

当ψ=Yi(Yi为组分i的气相摩尔分数)时，可得到组分守恒方程，即：

式中，Di为组分i的自由流质量扩散系数；SYi为组分i(H2、O2或H2O)在催化层内的消耗速率或产生速率对应的源项。

当ψ=φH+(质子电势)或ψ=φe-(电子电势)时，可得到质子/电子守恒方程。由于相对于流体的流动过程，电化学反应的过程很短，因此不考虑瞬态项，此方程可分别简化为：

式(1)～式(6)中所涉及的源项在PEMFC的不同区域存在不同的表达形式，具体如表2所示。

表2 各源项在PEMFC不同区域的表达式Table 2 Expressions of source terms in different regions of PEMFC

表2中，KGDL与KCL分别为GDL和多孔电极的渗透率，m2；Mi与Si分别为组分i的化学表达式及化学计量系数；n为物质的量，mol；nd为生成的电子数；F为法拉第常数，C/mol，此处取96485；l为自由电子密度，m-3；j为电流密度，A/m2；MH2O为H2O的摩尔质量，kg/mol；SYH2O为H2O的源项；SYH2/O2为H2或O2的摩尔分数比的源项。

式中，A为单位体积的电催化表面积，m-1；I0,a、I0,c分别为阳极和阴极催化层的交换电流密度，A/m2；CH2、CO2分别为H2和O2的摩尔浓度，mol/m3；CH2,ref、CO2,ref分别为 H2和 O2的参考摩尔浓度，mol/m3；αa、αc分别为阳极和阴极催化层的电化学反应的转化率；T为催化层表面温度，K；R为气体常数，J/(mol·K)，此处取8.314；η为活化电位。

1.3 模型验证

为了保证模拟结果的准确性与科学性，根据文献[17]通过实验测出的一组采用蛇形流道的PEMFC的性能数据，以本文所提出的方式在尺寸、边界条件、操作条件相同的情况下，利用COMSOL软件建立采用蛇形流道的PEMFC的三维几何模型，并对电池的性能进行仿真模拟。采用本文模型的仿真结果与文献[17]的实验结果的对比如图2所示。

图2 相同条件下，仿真结果与实验结果的对比Fig. 2 Comparision of simulation results and experimental results under same conditions

由图2可知，模型得到的仿真结果与文献[17]中的实验结果的吻合度较好，从而验证了模型的正确性。

2 结果与讨论

下文采用COMSOL软件分别模拟了有、无挡板对PEMFC内部传质的影响，以及挡板的阻塞比与挡板数量对PEMFC性能的影响。

2.1 挡板对PEMFC内部传质的影响

基于8通道蛇形流道，分别对无挡板(传统流道)、有挡板(挡板式流道)时PEMFC内部传质情况进行分析。其中，传统流道以最上侧流道为研究对象，挡板式流道以最上侧流道的挡板附近区域为研究对象。

PEMFC分别采用2种流道时选定区域内的气体流速分布切面图如图3所示。

图3 PEMFC分别采用2种流道时选定区域内的气体流速分布切面图Fig. 3 Section view of gas flow rate distribution in selected area when two kinds of flow channels are used in PEMFC

从图3中可以看出，在传统流道中，气体流动相对缓慢且稳定；在挡板式流道中，挡板的存在减小了流道局部的截面积，使相同流量下的气体在挡板周围的流速明显增加。气体局部流速的增大，有利于更多的气体进入多孔电极，同时由于气体的流动行为发生改变，有利于气体在多孔电极内输运效率的提高。

PEMFC分别采用2种流道时选定区域内的氧气浓度分布切面图如图4所示。

图4 PEMFC分别采用2种流道时选定区域内的氧气浓度分布切面图Fig. 4 Section view of oxygen concentration distribution in selected area when two kinds of flow channels are used in PEMFC

由图4可知，在传统与挡板式流道中，随着PEMFC中的反应氧气被逐渐消耗，氧气浓度均沿反应气体流动方向逐渐变小；与此同时，在挡板式流道中，由于挡板的阻挡使流道局部出现了氧气聚集，使该流道局部的氧气浓度高于传统流道局部的氧气浓度，同时其氧气分布的均匀性也优于传统流道的，从而可有效提高电极反应的效率。

PEMFC采用挡板式流道时，选定区域内的水浓度分布切面图如图5所示。

图5 PEMFC采用挡板式流道时选定区域内的水浓度分布切面图Fig. 5 Section view of water concentration distribution in selected area of PEMFC with baffled flow channel

由图5可知，气体的对流效应使流道与GDL交界面处的水浓度在挡板处减小，说明挡板的设计能够更有效地去除电池内部发生反应时所生成的水，从而有利于反应气体更加顺利地进入反应区域，增加PEMFC工作时的稳定性。

2.2 挡板的阻塞比对PEMFC性能的影响

以8通道蛇形流道PEMFC为基础，研究挡板的阻塞比对PEMFC性能的影响。挡板的阻塞比为0.2～0.8时流道内压降、挡板处最大气体流速的变化曲线如图6所示。

由图6可知，随着挡板的阻塞比的增加，流道内的压降逐渐上升。适当的提高压降能够有效提高流道去除水含量的能力，而过高的压降会影响气体分布的均匀性，结合文献[22-23]得出的“当流道压降小于190 Pa时，流道的压力分布情况为最佳”这一结论，当挡板的阻塞比为0.7时，流道压降处于最理想状态。另外，挡板处的最大气体流速也随着挡板的阻塞比的增加而变大，流速的增加一方面有助于液态水的去除，另一方面更利于气体到达反应区域，从而提高PEMFC的性能。

图6 挡板的阻塞比不同时流道内压降及挡板处最大气体流速的变化曲线情况Fig. 6 Change curve of pressure drop in flow channel and maximum gas flow rate at baffle at different blocking ratios of baffle

2.3 挡板数量对PEMFC性能的影响

以8通道蛇形流道为基础，研究挡板数量对PEMFC性能的影响。不同挡板数量下流道内的气体流速分布切面图如图7所示。

图7 不同挡板数量下流道内的气体流速分布切面图Fig. 7 Section view of gas flow rate distribution in flow channel with different baffle numbers

由图7可知，不同挡板数量下，挡板处的最大气体流速大致相等，但随着挡板数量的增多，流道内部对流区域的数量增多。当挡板数量为7个时，保证了全流道内气体分布的均匀性及较大的气体流速，有利于气体在多孔介质中的传输，对提升PEMFC的物质输运能力最为有效。

图8为不同挡板数量下GDL内的氧气浓度分布切面图。

图8 不同挡板数量下GDL内的氧气浓度分布切面图Fig. 8 Section view of oxygen concentration distribution in GDL with different baffle numbers

从图8中可以看出，随着挡板数量的增多，流道内部对流区域增多，GDL内氧气浓度分布均匀性越好。这主要是因为挡板对气体有阻挡作用，挡板数量的增多减缓了气体向出口流动的速度，有助于气体在流道内充分扩散。当挡板数量为7个时，氧气会由无挡板时的均匀稳定的慢速流动(5 m/s以内)转变为较为均匀的快速流动，气体流速约为9 m/s，属于高气体流速，并且此时流道内的氧气浓度分布均匀性最佳，有利于反应气体在GDL中的传输，并有助于去除微孔层中积存的液态水，使膜电解质中的离子保持有较好的水化水平，从而提升PEMFC的电化学性能。