流道结构对质子交换膜燃料电池的影响

张贝贝，李培超

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

燃料电池作为新兴电池产业，被认为是解决未来能源危机合适的选择，质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为最有前途的替代技术之一[1]。燃料电池具有快速启动、高效率、零温室气体排放和无噪音等许多优点[2-4]。

PEMFCs要成功地与传统的能量转换器竞争，仍然需要改进性能，减少损失和成本。电池的流道以及结构优化问题一直受到人们的广泛关注。学者们通过对流场进行结构优化使得气体能够均匀进入电池内部，降低电流不均匀分布造成的性能衰减[5]。曹鹏贞[6]等人通过对不同流道的优缺点分析，提出了流道改进的方法；熊济时[7]等人为获得较优的流道尺寸，使用Fluent 软件对流道的深度、厚度和岸宽度进行数值模拟，得到流体尺寸的最优比；Kandlikar[8]等人提出了一种基于入口区压降测量的新技术，用于监测单个通道内流体流动的不均匀分布。研究发现，对于具有防渗衬垫(塑料片)的平行通道，获得了几乎均匀的气流分布，但对于同样具有多孔GDL 衬垫的通道，则表现出严重的不均匀分布；Viorel[9]通过COMSOL 多物理场分析软件建立三维模型，研究3 种不同沟道宽度和高度对电池局部电流密度的影响，以及阴极催化剂层—气体扩散层沟道界面的氧和水摩尔浓度对特定气体通道几何形状的影响；陈磊[10]等人为研究深度的影响，使用Fluent进行了数值模拟。结果表明：在一定范围内，深度越小越好；叶可[11]等人通过提出两种不同的多孔介质流道与无多孔介质的流道比较，发现多孔介质流道比传统流道分布更加均匀，最佳工作点功率密度提高了36%。为提高电池的传热性能，高源[12]等人通过对流道进行结构优化及仿真；Anyanwu[13]等人通过利用VOF 法对3 种不同几何形状的正弦通道进行数值仿真，研究正弦距离（俯仰振幅比）、曲率半径和壁面接触角等关键参数对流道中液滴去除的影响；石磊[14]等人通过COMSOL 对8 通道复合蛇形流道模型进行模拟，研究了流道结构、多孔介质孔隙度、温度的影响；赵强[15]等人分析了单流场、组合流场以及仿生流场的优缺点；孟庆然[16]等人建立三维模型并使用有限元分析软件COMSOL 进行数值仿真，并分析不同流道的宽度与脊宽度对电流密度的影响。

一些学者还研究流场板肋骨和通道宽度[17]、流动特性[18]、流道结构[19-21]对流场的影响和电池性能的影响。在此，我们提出两种不同类型的流道结构进行数值分析，增大气体均匀性以及降低膜上电流差。

1 模型建立

1.1 模型描述

图1 中a 为不带孔的直流道，b，c 分别为单排带孔流道和单双排交错带孔流道。通过建立（a）（b）（c）3 种不同类型的流道对电池进行电场、浓度场、速度场之间的耦合计算，研究带孔流道对物质传递和催化层上电流密度分布的影响。

图1 a，b，c 的三维模型Fig.1 3D models of a，b，c

对于上述模型做出以下假设：（1）电池工作在稳态；（2）电池流动为层流；（3）电池内部温度恒定，没有温度传递以及与环境之间的热交换；（4）水以水蒸气形式存在在电池内部；（5）混合气体被认为是理想气体。

在这个单相等温模型中，包括气体的传输和电荷的运输，详细的控制方程和源项如下：质量守恒方程

式中：u——流体速度；ρ——混合气体密度。通过理想气体定律可求得混合气体密度[22]。

动量守恒

式中：p——气体压力；μ——混合流体粘度。根据混合动力学理论可求得理想气体的混合粘度[22]

物料守恒

电荷守恒：

式中：σ——电池材料的电导率，其值大小与材料属性有关。

表1 守恒方程源项Tab.1 Source term of conversation equations

1.2 模型验证

通过使COMSOL Multiphysics 对上述物理模型进行求解，通过与Ubong[24]提出的等温模型实验数据相验证，实验数据与仿真对比如图2 所示。为减小计算量，将电池长度缩短为原有的0.2 倍。二次电流接口使用欧姆定律对电化学建模，并使用动力方程将浓度和电流密度建立关系。布林克曼方程是对质量守恒和动量守恒建立方程进行计算得到电池中各物质的流动速度。浓物质扩散是使用Stefan-Maxwell 模型建立物料守恒方程，得到电池内部物质的分布情况。

图2 实验数据与仿真对比Fig.2 Comparison of experimental data and simulation

2 结果与分析

2.1 不同流动类型对电场的影响

图3 为不同类型的流道结构对电池极化曲线的影响。通过建立3 种不同类型的流道，分析电池流道中以及催化层中物质传递情况以及对化学反应速率的影响。当加入小孔后，在同一电池的电压下，得到的电流密度越大，这是由于当加入小孔后，提高了电池内部的物质传递和渗流速度，增大了物质的质量分数，加快化学反应速率。从图3 和图4 可知，带孔流道结构b 和c 电池性能明显优于原流道a，其中带双排交错孔流道最优。

图3 a，b，c 三种类型流道的极化曲线Fig.3 Polarization curves of a，b，c

图4 a、b、c 三种类型流道的功率密度曲线Fig.4 Power density curves of a，b，c

图5 为电压为0.6 V 时，催化层中电流密度分布云图。从图中可以看出，当a 型流道时，由于脊的存在，使得电流密度中间与两侧差距较大，化学反应主要集中在两侧；b 型流道时，虽然依然有脊的存在，但是流道中的小圆柱改变流道中速度分布，使得电流密度沿着流动方向递减。单双排交错孔流道在单排孔流道的基础上又添加了孔的数量以及分布，得到电流密度分布。由于孔与孔之间距离太近，造成了一部分区域气体较少，因此造成了催化层中电流分布中出现不同与周围电流的区域。

图5 流道结构对电池催化层中电流密度的影响Fig.5 Effect of flow channel structure on current density in catalytic layer

图6 为质子交换膜中间层电流分布图。由于是截取流道一部分进行计算，因此产生的电流很小，但是依然从图中可以看出：a 型流道中，电流变化范围为0.024 40～0.023 26 A,膜上电流密度差为0.001 14 A；b 型流道中，电流变化范围为0.024 66～0.024 13 A，膜上电流差为0.000 53 A；c型流道中，电流变化范围为0.024 83～0.024 20 A，膜上电流差为0.000 63 A。通过对比可知：b 和c型流道比a 型流道，膜上产生更大的电流；b 和c 型流道上的电流分布比a 型流道上电流分布更加均匀，降低了膜上电流不均匀性对质子膜造成的影响。因此b 和c 型比a 型流道更加优越。

图6 流道结构对质子交换膜上电流的影响Fig.6 Influence of flow channel structure on the current in proton exchange membrane

2.2 流道类型传质通量的影响

图7 为原流道a 与带孔流道b 和c 的催化层截面氧气质量分数。从图中可知，在直流道流道a 中氧气最大质量分数为0.175 6，最小为0.125 6；在单排带孔流道b中，氧气最大质量分数为0.172 0，最小为0.121 6；在单双排带孔交错流道c 中，氧气最大质量分数为0.172 2，最小为0.119 4。可以明显看出，单排孔流道和单双排交错孔流道比直流道催化层上的氧气质量分数更小。这是由于带孔流道化学反应速率更大，更多的氧气被消耗，产生更多的水，使得氧气质量分数降低。

图7 催化层中氧气质量分数的分布Fig.7 Distribution of oxygen mass fraction in catalytic layer

2.3 不同流道类型对GDL/CL 中物质流速的影响

图8 为在Z=Hgdl+Hch时气体扩散层截面中电池阳极气体扩散层流场分布图，由图8 可以看出，直流道a 中，氢气流动方向是主要向两侧扩散，因此沿着气体流动方向速度最小，造成了反应层中两侧化学反应速率比中间的大；单排带孔流道b 中，氢气不仅向两侧扩散，而且还沿着流动方向从入口向出口流动，提高内部物质的流动速度。如图9 所示，单排孔流道b 中沿流动方向速度比不带孔的a 型流道大，单双排交错孔流道c 中的速度矢量方向比b 型流道更偏向流动方向，因此造成沿着流动方向，单双排带孔交错流道c 速度最大，单排带孔流道b 次之，a 型流道最小。

图8 在Z=Hgdl +Hch 时，阳极气体扩散层速度矢量分布Fig.8 Velocity vector distribution in anode GDL at Z=Hgdl +Hch

图9 沿流动方向速度变化Fig.9 Velocity along the direction of flow

图10 为电池渗流方向的速度分布。从图10可知，b 型和c 型流道的渗流速度比a 型渗流速度大，更加有利于物质由流道渗透到反应层。从图11 中a，b，c 三种不同类型流道中的阴极侧压力分布可知，带孔流道b 和c 的流道出入口压力差比原直流道a 大，因此有利于阴极侧水的排出，防止电池内部水蒸气过多降低氧气浓度。

图10 沿渗流方向速度变化Fig.10 Velocity along the direction of osmosis

图11 阴极侧压力分布Fig.11 Pressure distribution in cathode

3 结语

本文提出的两种新型流道结构单排孔流道b和单双排交错孔流道c，与原流道a 进行比较，结果发现：带孔流道在气体渗透、电池压力和电池输出性能方面都优于a 流道，因此发现通过增加流道中小孔不仅有利于增大电池内部物质传递，而且可以降低催化层上的电流密度差。下一步工作可以从2 个方面对电池作进一步优化。一方面是对流道进一步增加孔的数量及排列，找到最优排布方式。另一方面是建立孔与双极板之间有一定的夹角，通过对夹角的分析，找到最优角度，提高气体流动。