基于单层电堆形式的质子交换膜燃料电池仿真模拟研究及优化

（江苏科技大学能源与动力学院，江苏镇江 212100）

胡翀，赵袁，RAZA Ali，陈代芬*

0 引言

近年来，新能源汽车已经在全世界范围内掀起了热潮，广泛地出现在人们的生活中，而新能源汽车与传统汽车最大的区别是使用了清洁能源，并且新能源汽车最重要的是其动力来源，这是新能源汽车驱动和保障的关键。新能源汽车常常采用电池作为其动力源，因此，以氢气为燃料的燃料电池受到了广泛关注。氢能不仅来源广泛，而且利用过程产生的生成物水没有污染，同时氢气热值较高，很可能取代汽油等能源。燃料电池包含的种类很多，主要有质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和磷酸盐燃料电池［1-3］。其中PEMFC 相对其他燃料电池有发电效率较高、使用寿命相对较长、工作温度低的优点，在100 ℃以下进行工作，适用于日常的生活生产，尤其受到汽车行业的青睐。如何提高PEMFC 的综合性能，使其能成为可靠的动力源成为研究热点。

燃料电池的结构与其性能息息相关，目前国内外改变PEMFC 的流场结构以优化PEMFC 的设计主要有改变流道尺寸、流道截面形状、流道数量以及增设挡板等。文献［4］提出一种模仿猪笼草特殊的鸭嘴形的微腔结构应用于PEMFC流场中，并进行数值模拟研究，与其他几种类似的流道进行了对比，结果表明新型猪笼草结构流场不仅能够有效提高PEMFC 性能，还能加强阴极流道的排水能力。文献［5］通过改变3蛇形流道的高度和顶部底部的宽度，利用非支配排序的多目标遗传算法和数值模拟结合的方法对PEMFC流道尺寸进行优化，结果表明最优流道为一种梯形流道。文献［6］用数值模拟的办法分析比较了3种不同流道数量的PEMFC 蛇形流场，研究了不同数量的流道对反应组分分布的影响。结果表明随着流道数量增加，组分分布更均匀，电化学反应更加充分。文献［7］对现有的常规流道和新型流道进行总结分析，探明了流道尺寸和挡板位置等对增强PEMFC性能的影响。文献［8］通过仿真模拟研究了氢氧流道的相对位置和进口位置对PEMFC的影响。文献［9］设计了一种改进的蛇形流场，证明带有U 型弯的蛇形流道有效提高了排水能力。

合理的流道结构极大限度上影响着PEMFC 的性能，目前已有的研究大部分是基于单层电池结构，但考虑实际应用时，新能源汽车使用的都是成型电堆。燃料电池堆是将数个单层电池以堆叠的方式进行组装，对于每层单电池相同的进口和出口，采用同一根竖直管道进行供气、排气和排水，产生的电流通过每层单电池的电极板正负极串联起来，以达到所需功率。在单层电池结构时有着提升综合性能效果的优化设计，由竖直流道集中进行供气、排气和排水时，优化结构是否适用，在电堆层面下的效果未知。

对此，本文基于蛇形流场提出一种新型的流场改进方案，并利用ANSYS 软件对应用该流场的单电池PEMFC电堆进行三维多物理场建模和分析评价，为提高PEMFC综合性能提供思路。

1 PEMFC几何模型

1.1 组成结构

PEMFC 主要由质子交换膜（PEM）、催化层（CL）、扩散层（GDL）和双极板（BP）组成［10］，如图1所示。

图1 PEMFC组成结构示意［11］Fig.1 Composition and structure of a PEMFC［11］

PEM 层是一种能够传导质子，也就是氢离子的聚合物薄膜，具有选择透过性，将燃料电池的电化学反应拆分为2个半反应，分别在电池阴阳极发生。

CL是电化学反应场所，通常由电催化剂和离聚物组成，由碳载铂基催化剂构成。GDL 一方面收集电流，另一方面有助于气体在电池内部扩散，与CL结合能提高催化效率［12］。

BP 的主要作用是保障反应气体在电池内部进行反应，BP 内部有凹槽即流道可供反应气体通过，并将多个单电池区分，用于连接不同的单电池从而构成电堆。

1.2 流道

当反应气体进入传统平行流场PEMFC内部，分散于多个平行直流流道中，总是存在反应气体分布不均的问题。有学者为了解决这一问题，提出了一种单流道蛇形流场，如图2a所示。迫使反应气体全部集中于一条流道中，避免了平行流道中部分流道反应气体不足，而部分流道反应气体过多的问题。蛇形流道可以视为将多个平行流道的串联。单流道蛇形流场同样存在不足，尽管避免了气体的分散，但是在单流道中，反应物容易集中在入口处，沿着管道浓度逐渐降低，并且过长的反应路径，同样存在着一定程度上的组分分布不均问题，因此可以将蛇形流道作为基础，进行优化设计，保留其将反应物充分反应的优势，消除高压降带来的多余损耗，保证反应分布均匀。为此，提出一种3流道并带有3个进气口的蛇形流道，流道之间相互串行，并能互相补偿反应气体，如图2b所示。

图2 PEMFC流场示意Fig.2 Flow field of a PEMFC

1.3 几何尺寸及参数

利用ANSYS 进行仿真模拟时，需要精确的模型尺寸和计算参数，经过比对，选择较为适合的尺寸进行建模，仿真模拟研究所用参数见表1、表2［13］。

表1 模型几何参数［13］Table 1 Geometric parameters of the model［13］

表2 仿真主要参数设置［13］Table 2 Settings of the main parameters of the simulation［13］

2 PEMFC数学模型

2.1 工作原理

PEMFC 属于质子型燃料电池，其电解质为聚合物薄膜，由氢气产生的氢离子通过电解质膜到阴极与氧气、电子结合生成水。其电化学反应方程式为

2.2 控制方程

FLUENT 中PEMFC 模块为仿真模拟研究提供了极大的便利，涉及的控制方程包括气态方程、液态水方程、溶解态方程和能量守恒方程等，其中，控制方程总结见表3。

表3 控制方程Table 3 Governing equation

3 单层PEMFC电堆仿真

3.1 模型验证

利用离散方法对模型进行网格划分，由于GDL，CL 和PEM 部分较薄，物质浓度存在较大的变化梯度，因此需要对这些部分进行网格加密处理，采用不同的网格密度进行验证，保证仿真结果不会因为网格的变化而改变，并且取适当的网格密度可以提高仿真速度，减少计算量。将模型网格沿着高度方向划分层数，网格尺寸保持0.2 mm，取3—6 层共4 组不同的网格密度进行对比验证，网格无关性验证如图3所示。

图3 网格无关性验证［13］Fig.3 Verification of grid independence［13］

使用上述仿真参数和方法，对单层蛇形流道PEMFC模型进行仿真，得到I-V曲线，与参考的试验数据I-V曲线对比如图4 所示。结果表明仿真曲线与试验曲线基本吻合，由此可知，利用上述数据和方法建立的仿真过程，结果具有可靠性，并能够在此基础上进行单层PEMFC电堆研究，并改变结构进行优化。

图4 模型验证［13］Fig.4 Model verification［13］

3.2 单层PEMFC堆几何结构

将前文中单流道蛇形流场和串行补偿流场分别设计为单层电池堆结构，如图5 所示。为了更好地体现改变流场结构带来的变化，保证2 种模型中阳极蛇形流场不变，阴极分别设为单流道蛇形流场（图5a）和串行补偿流场（图5b），对比不同阴极流场下PEMFC电堆的综合性能。

图5 单层PEMFC电堆模型Fig.5 Model of a single-layer PEMFC stack

3.3 仿真结果分析

对上述单层电堆结构分别进行仿真，保证串行补偿流场每个流道的进气量相同，并且总进气量与单流道蛇形流场相同，其他参数保持一致。考虑到反应主要发生在多孔介质层（即CL和GDL），仿真结果分别从多孔介质层的电流密度分布（如图6 所示）、氧气质量分数分布（如图7 所示）、液态水饱和度分布（如图8 所示）和速度矢量分布（如图9 所示）进行分析，分布云图均取自CL 和GDL 的交界处，结合流道压力分布（如图10所示），研究改变流道结构对流道内部压力分布及电堆综合性能的影响。

图6 电流密度分布Fig.6 Distribution of current density

图7 氧气质量分数分布Fig.7 Distribution of oxygen mass fraction

图8 液态水饱和度分布Fig.8 Distribution of liquid water saturation

图9 速度矢量分布Fig.9 Distribution of velocity vector

图10 阴极流道压力分布Fig.10 Pressure distribution of the cathode channel

由仿真结果可知，单流道蛇形流场电流密度（图6a）和氧气质量分数（图7a）都集中分布在流道入口处，并随着流道的深入呈现出越来越小的趋势，这反映出单流道蛇形流场的电化学反应主要在入口处进行，这样会导致热量集中堆积在入口处。根据压力分布（图10a）可知，入口处压力较大，当PEMFC 构成电堆进行工作时，热量和压力大量囤积在入口处并不断堆叠，很容易导致PEMFC结构遭到破坏，影响PEMFC电堆性能。由液态水饱和度分布（图8a）和速度矢量分布（图9a）可知，单流道蛇形流场中，液态水向出口处迁移的速度在每一条流道中几乎保持一致，而液态水随着管道深入，不断堆积在管道中，可能会导致水淹的现象。而串行补偿流场中电流密度分布（图6b）和流道压力（图10b）相对均匀，因此构成电堆工作时，比单流道蛇形流场更具有稳定性。由氧气质量分布（图7b）可以看出，在不同流道的首尾段，都有氧气质量分数较高的区域，这得益于3流道首尾串行补偿反应气体的设计，并且速度矢量（图9b）反映了这些浓度较高的区域，都有较大的流速，利于氧气的补充。结合液态水饱和度分布（图8b）可知，在出口处，虽然液态水饱和度相对较高，但是出口处同时具备了高质量分数的氧气和较大的速度矢量，能有效排除液态水，避免水淹现象。

4 结论

利用ANSYS 在单层电池电堆层面下，保证阳极采用相同的蛇形流道，对阴极中单流道蛇形流场和串行补偿流场分别进行仿真分析。单流道蛇形流场PEMFC电堆有着较好的发电性能，但其存在较高的压降，流道出口流速偏小，排水性能较差等问题，入口处的集中反映也容易导致PEMFC 电堆工作时产生的热量堆积，使PEMFC结构易受到破坏。而串行补偿流场采用3 流道设计，并且流道之间互相串行，能够将3个不同流道的反应物相互进行补偿，极大地优化了PEMFC中组分分布，降低了流道中的压降，提高了流道出口处的流速，避免了容易积水等问题，还保留了蛇形流道出色的发电性能。同时，串行补偿流场具有3 个进气口，改变不同进气口的进气流量占比或许对PEMFC 也存在影响，为提高PEMFC综合性能提供了一定的思路。