燃料电池石墨双极板的流道分析与研究

王腾飞，戴永谦，李沅赛，王 鑫

燃料电池石墨双极板的流道分析与研究

王腾飞1，戴永谦2，李沅赛3，王 鑫4

（1. 海装装备项目管理中心，北京 100071；2. 哈尔滨工业大学（威海）汽车学院，山东威海 264209；3. 海后军需能源质量监督站，北京 100841；4. 海军91638部队，北京 102202）

应用计算流体力学软件建立了质子交换膜燃料电池（PEMFC）流体域的物理模型，并对其进行了模拟分析。对于由PEMFC阳极侧极板的平行流道改进而成的波浪形流道，通过对模拟计算得到的压力分布、进出口压降、流道流量分布与流量差异性、流道流速分布与流速差异性的分析，提出对极板的优化方案。对优化后的方案的流体域模型进行模拟分析，并将计算得到的性能参数与优化前模型的性能参数进行对比分析。结果表明，优化的模型流道流量分布更均匀，流量差异性减小了，进出口压降减小了。为PEMFC阳极流场的研究提供一定的参考。

质子交换膜燃料电池 流道 极板 波浪形流道

0 引言

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能不经燃烧直接转化为电能的发电装置[1]。双极板作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的主要部件之一，其流道几何形状根据每个燃料电池的需要和设计而各不相同[2-4]。具体几何形状对燃料电池的性能也至关重要。流场结构决定反应剂与生成物在流场内的流动状态，设计合理的流场可以使电极各处均能获得充足的反应剂并及时把电池生成水排出，保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。双极板流场结构改进，可以帮助降低质子交换膜燃料电池成本并提高性能。改善流道结构布局和采用轻质材料降低燃料电池堆重量、体积和成本已成为促进质子交换膜燃料电池应用的关键。双极板流场结构的改进与优化，通过实验的方法势必耗时耗财耗力，而通过计算机数值仿真模拟计算则快捷高效很多，国内外很多学者对此作了大量研究工作[5-10]。

1 计算模型

由于模型的计算区域较大，为了减少计算量，流体域模型假设如下：1）流动气体为理想不可压缩气体；2）燃料进气为纯氢气；3）忽略重力的影响；4）流动为三维定常流动；5）系统恒温。双极板的流体域的基本方程主要包括适量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，这三个方程用于对流体的控制。其中，定常流动的质量守恒方程为：

动量守恒方程为：

能量守恒方程为：

恒温定常流动的能量源项为：

流体域模型的形式如图所示。流体域有5条总流道，共计50条分流道。总流道宽度1.3 mm，深度为0.5 mm。网格划分如2所示，网格类型为多面体网格，整个模型的网格数目为263621。

图2 波浪形流场流体域模型网格划分及局部示意图

2 仿真结果及分析

对图2所示模型的流道进行编号，总流道自右而左依次为1至5总流道面平面，而每一总流道自下而上以此为1至10分流道。进行取样所得各总流道的分流道流量数据以进行分析。图3和图4所示分别为各总流道下，各分流道气体流量和流速分布。

图3 各总流道的分流道流量分布

图4 各总流道的分流道流速分布

由图3和图4可见，各总流道的分流道流量和流速均呈现先减小后增大的趋势。位于中部的分流道的流量和流速较小，出现了反应气体供应不足的现象，而两侧的分流道流量和流速则较为均匀。中间三个总流道流量和流速的最大值与最小值之间的差值要比总流道1和5的小。原因是结构上中间三个总流道并没有总流道1和5的急转角。总流道5的分流道流量和流速与总流道1的呈现近似对称的情况，是因为总流道5的结构和形状与总流道1的结构和形状关于中心平面近似对称，因此才出现分流道流量和流速分布曲线近似对称的现象。

图5和图6所示分别为各总流道下，各分流道气体流量差异性和流速差异性分布。可见，各总流道的分流道流量和流速差异性总体波动较大，说明气体沿流动前进方向流量分布不均，影响反应气体浓度的分布均匀性。同样是中间三个总流道下的分流道流量和流速差异小于两侧的。总流道5的分流道流量流速差异曲线与总流道1类似，但是前者的差异性波动幅值比后者的大，说明总流道5沿流动前进方向的流量差异较总流道1的大，是因为其进口后总流道的长度远大与总流道1的，能够减少从进口流道流出后的速度损失，因此分配到分流道的起始速度都较大。

图5 各总流道的分流道流量差异

图6 各总流道的分流道流速差异

图7所示为流场流体域的压力云图。可见，流道中水平方向的分流道的压力在沿着气体的前进方向不断向下降，沿竖直方向从下往上各总流道的分流道的压力下降较为均匀，而总流道之间存在阶梯的压力降。整体上看，并没有存在压力骤降的现象，这能够使反应气更容易扩散，有效促进气体在扩散层的流动，说明各流道的压降分布比较均匀。这样就不会造成燃料电池工作时，空压机的功率加大，造成外加功耗变大，燃料电池系统性能下降。

图7 波浪形流场流体域的压力云图

3 流道优化设计

针对原结构流场分布特点，在保留同样边界条件下，对流道结构加以改进，本文提出了两种改进方案。方案一，将模型各总流道宽度由1.3 mm增至1.5 mm；方案二，将模型各总流道宽度由1.3 mm增至1.7 mm，且在各总流道末端做收缩处理。原模型与改进方案的模型如图8所示。

图8 改进前后流道模型

改进前后各总流道进出口压降柱状图如图9所示，可见，优化方案2的进出口压降低于优化方案1的，而优化方案1的进出口压降低于原模型的。进出口压降的减小，能过够使得功率损耗变小，则使得电堆的效率就相对提高，从而达到提高燃料电池性能的目的。进出口压降的减小，可以有效降低传输额外的功耗，提高气体在扩散层内的均匀分配性。因为当进气量相同时，进气功耗是与进气的压降成正比的[11]。

图10和图11分别示出了方案一和方案二流场区域的压力云图。可见，与图7相比，方案一和方案二的压降都比原模型的小，且方案二的斜角处的压力并没有出现骤变的现象，与方案一的及原模型的几乎一样。

4 结论

图9 各总流道的压降分布

图10 方案一的压力云图

图11 方案二的压力云图

利用流体动力学软件对波浪形流场的质子交换膜燃料电池阳极侧流道进行模拟计算，考察了流场的流量流速分布以及差异性、进出口压降和总流道压降、压力分布等。在此基础上提出流道改进方案，并对改进后的流体域模型进行模拟计算，与原来的模型进行对比。得出以下结论：

1）原波浪形流道流量分布不均，各总流道中部分流道的流量和流速较小，造成反应气供应不足的现象。流道流量以及流速的差异性波动较大。

2）将总流道加宽简单为1.5 mm的改进方案一，流量分布均匀度比原模型略有提升，两侧流道流速有所降低，而中部流道流速有所提升。从数据对比看，改进方案一的流道流量差异性较原模型只略微减小，效果并不明显。

3）将总流道加宽为1.7 mm，并在总流道后面做收缩处理的改进方案二，流道流量分布比改进方案一均匀，其两侧流道流速更多的分配到中部流道，从而使得气体分布更为均匀，流量差异性较前两者都小。出现的后面分流道流量流速差异性较同一总流道的其他分路流道的大多因为斜角区域流道尺寸的变化。

4）随着总流道的流道宽度的增加，模型的进出口压降在减小，总流道压降也在减小，从而减小了气体供应的功耗，相对提高了电池的效率，从而提高了电池的性能。

[1] 侯明, 衣宝廉. 燃料电池的关键技术[J]. 科技导报, 2016, 34(6): 52-61.

[2] Sainan K I, Atan R, Husain H, Mohamed W A N W. Computational model analysis on a bipolar plate flow field design of a PEM fuel cell[P]. Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO), 2011 5th International, 2011: 133-138.

[3] 冷巧辉. PEMFC交叉型流场的数值模拟与实验研究[D]. 浙江: 浙江工业大学, 2013.

[4] 毛宗强. 质子交换膜燃料电池双极板[J]. 燃料电池, 2005, 3: 33-47.

[5] Juarez R D, Hernandez G A, Damian A. Three dimensional analysis of a PEM fuel cell with the shape of a fermat spiral for the flow channel configuration. In: Paper presented at the ASME Internatioal Mechanical Engineering Congress and Exposition. November 2-6, 2008. Boston, Massachusetts, USA: 1-10

[6] Xiaoqing Zhang, Jiapei Yang, Xiao Ma. etc. Numerical investigation of water dynamics in a novel wettability gradient anode flow channel for proton exchange membrane fuel cells[J]. Energy Research. 2020(20): 10282-10294.

[7] 韩建, 崔龙, 苏中辉, 等. 燃料电池双极板流道尺寸数值仿真[J]. 汽车文摘. 2020(8): 22-27.

[8] 杨家培, 马晓, 雷体蔓, 等. 燃料电池扩散层与流道中液态水传输数值模拟与协同优化[J]. 清华大学学报（自然科学版）, 2019, 59(7): 580-586.

[9] 徐一凡, 彭林法. 燃料电池流道内液滴流动建模与分析[J]. 电源技术. 2019, 43(5): 815-818.

[10] 孟庆然, 田爱华, 陈海伦, 等. 质子交换膜燃料电池流道尺寸的数值模拟[J]. 吉林化工学院学报, 2020, 37(3): 48-52.

[11] 刘志春, 涂正凯, 周兵, 刘伟. 质子交换膜燃料电池阴极气场设计优化[J]. 工程热物理学报, 2012, 33(8): 1375-1379.

Analysis and Research on Flow Channel of Graphite Bipolar Plate of Fuel Cells

Wang Tengfei1, Dai Yongqian2, Li Yuansai3, Wang Xin4

(1. Marinre Equipment Project Management Center, Beijin 100071, China; 2. Harbin Institute of Technology, School of Automotive Engineering, Weihai 264209, Shandong, China; 3. Post-sea Military Energy Quality Supervision Station, Beijin 100841, China; 4. Navy Unit 91638, Beijin 100841, China)

TM911.4

A

1003-4862（2021）10-0024-04

2021-08-19

王腾飞(1988-)，男。研究方向：动力工程及工程热物理专业，动力装备研究。